Nghiên cứu chế tạo vật liệu siêu đàn hồi hệ NiTi luận án tiến sỹ

108 So sánh ảnh S t chức xốp của vật iệu iTi do đ tài uận án thực hiện với các công tr nh đ công ố c ng chế tạo ng phương pháp phản ứng SHS... Vật liệu NiTi xốp h p d n các nhà nghiên

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan nội dung bản luận án này là công trình nghiên cứu của tôi, các số liệu và kết quả là trung thực chưa từng được công bố ở công trình nào hoặc cơ sở nào khác dưới dạng luận án

LỜI CẢM ƠN

Tác giả uận án xin ch n thành cảm ơn các Th y giáo ô giáo ộ môn ơ h c vật iệu và án kim oại Viện hoa h c và thuật vật iệu Viện Đào tạo Sau Đại h c, Trường Đại h c Bách Khoa Hà Nội và các đ ng nghiệp đ tạo m i đi u kiện thuận ợi đóng góp những ý kiến qu áu cho tác giả trong suốt quá trình h c tập và hoàn thành uận

Tác giả xin chân thành cảm ơn nhóm nghiên cứu đ tài Khoa h c và Công nghệ c p

Bộ m số -01- ) đ gi p đ tác giả có được các số liệu thực nghiệm, hoàn thành luận án

Tác giả xin ch n thành cảm ơn sự gi p đ , tạo đi u kiện của bạn bè; sự động viên, tạo m i đi u kiện v vật ch t, tinh th n của gia đ nh và người thân trong suốt thời gian h c tập và hoàn thành uận án

Tác giả xin chân thành cảm ơn m i sự gi p đ qu áu đó

Thanh

MỤC LỤC

Đ i

ii

iii

U V V T T T vii

1 ác từ viết tắt vii

ác k hiệu vii

NG BIỂU ix

Đ T x

Đ U 1

do ựa ch n đ tài 1

c đ ch của đ tài 2

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 2

hương pháp nghiên cứu 2

ngh a khoa h c và thực ti n của đ tài 2

hững kết quả đạt được và điểm mới của đ tài 3

ố c c của uận án 3

T U V T U S U Đ iTi V

T 4

iới thiệu chung v vật iệu siêu đàn h i 4

Vật iệu siêu đàn h i n n đ ng 4

Vật iệu siêu đàn h i n n sắt 5

Vật iệu siêu đàn h i iTi và n n iTi 6

T nh h nh nghiên cứu chế tạo và ứng d ng vật iệu siêu đàn h i iTi xốp 10

T nh h nh nghiên cứu chế tạo và ứng d ng vật iệu iTi xốp trên thế giới 10 T nh h nh nghiên cứu chế tạo vật iệu iTi xốp ở Việt am 11

Yêu c u đối với vật iệu iTi xốp ứng d ng àm miếng đệm đốt sống nh n tạo 12 ác phương pháp chế tạo vật iệu iTi xốp 12

hế tạo vật iệu iTi xốp ng phương pháp thiêu kết thông thường và thiêu kết trong chân không 13

hế tạo vật iệu iTi xốp ng phương pháp hợp kim hóa cơ h c 13

hế tạo vật iệu iTi xốp ng phương pháp phản ứng nhiệt độ cao tự lan truy n 14

hế tạo vật iệu iTi xốp ng phương pháp thiêu kết xung plasma 15

hế tạo vật iệu iTi xốp ng phương pháp p nóng đẳng t nh 15

ựa ch n phương pháp và đ xu t sơ đ công nghệ chế tạo vật iệu iTi xốp với đi u kiện th nghiệm Việt am 17

ết uận chương 18

S T UY T V T V T U S U Đ iTi 19

thuyết iến dạng vật iệu siêu đàn h i 19

huyển iến pha trong vật liệu siêu đàn h i 19

iệu ứng nhớ h nh 24

hả n ng siêu đàn h i 25

ột số yếu tố ảnh hưởng đến các t nh ch t cơ h c của vật iệu siêu đàn h i iTi 28

nh hưởng của t ệ hóa h c của i và Ti 28

nh hưởng của phương pháp chế tạo 29

nh hưởng của độ xốp 30

nh hưởng của x nhiệt 30

ơ sở thuyết phương pháp S S chế tạo vật iệu 31

iới thiệu chung v phương pháp S S 31

hiệt động h c và t nh n đ nh của phương pháp S S 33

ác thông số công nghệ ảnh hưởng đến phản ứng S S 38

ch thước hạt an đ u của hỗn hợp ột các ch t phản ứng 38

Sự n n chặt hỗn hợp ột an đ u của các ch t phản ứng 45

nh hưởng của hàm ượng ch t pha o ng 46

hiệt độ nung sơ ộ 48

hương pháp m i a k ch hoạt phản ứng 50

uá tr nh hoạt hóa cơ h c hỗn hợp ột an đ u 52

ết uận chương 53

V T T U 55

hương pháp nghiên cứu 55

hương pháp xác đ nh thành ph n pha của vật liệu 55

hương pháp xác đ nh độ xốp vật iệu đóng ánh và độ xốp sản ph m nhận được sau phản ứng SHS 56

hương pháp xác đ nh sự thay đ i hình thái hạt bột trước và sau quá tr nh

hoạt hóa cơ h c, sự phân bố lỗ xốp và c u trúc lỗ xốp 57

hương pháp xác đ nh các tính ch t cơ h c của vật liệu NiTi xốp nhận được sau phản ứng S S và sau x nhiệt 57

hương pháp so sánh đối chứng 59

hương pháp ph n t ch nhiệt vi sai 60

Thiết chế tạo vật iệu 60

Thiết phối liệu 60

3.2.2 Thiết b trộn đ ng đ u hóa thành ph n và thiết b hoạt hóa cơ h c hỗn hợp ột i – Ti 61

3.2.3 Thiết b ép đóng ánh hỗn hợp bột i-Ti an đ u 63

3.2.4 Hệ thống thiết b phản ứng SHS 63

Thiết ph c v quá tr nh chế tạo m u vật iệu iTi xốp 65

ết uận chương 66

U T V T U S U Đ iTi X 67

Vật iệu an đ u 67

ột i và Ti an đ u 67

4.1.2 Tính toán phối liệu 68

4.1.3 Hoạt hóa cơ h c/trộn đ ng đ u hóa thành ph n 68

p đóng ánh và nung sơ ộ 70

4.2 Phản ứng SHS 71

Trường hợp các m u hỗn hợp ột ch được trộn đ ng đ u hoạt hóa cơ h c với thời gian tMA < 1,5h 71

4.2.1.1 Hiện tượng 71

4.2.1.2 Kết quả phân tích thành ph n pha 73

Trường hợp các m u hỗn hợp bột an đ u được hoạt hóa cơ h c trong thời gian tMA 1,5h) 78

4.2.2.1 Hiện tượng 78

4.2.2.2 Kết quả phân tích thành ph n pha 80

4.2.3 Độ xốp, hình thái lỗ xốp sản ph m vật iệu iTi sau phản ứng SHS 83

4.2.3.1 Mặt cắt, mặt g y của sản ph m vật iệu iTi xốp chế tạo ng phương pháp SHS 83

Độ xốp vật iệu iTi xốp chế tạo ng phương pháp S S 87

ết uận chương 91

Đ T T V T U iTi X V S

T T 93

ác t nh ch t cơ h c của vật iệu iTi xốp chế tạo ng phương pháp SHS – MA 93

5.1.1 Các tính ch t cơ h c của vật iệu iTi xốp chế tạo ng phương pháp S S – MA không x lý nhiệt 93

5.1 ác t nh ch t cơ h c của vật iệu iTi xốp chế tạo ng phương pháp S S – có x nhiệt 97

Đánh giá khả n ng siêu đàn h i của vật liệu NiTi xốp chế tạo ng phương pháp SHS – MA 101

5.2.1 Kết quả phân tích ph XRD 101

ết quả ph n t ch nhiệt vi sai 104

So sánh kết quả đạt được với các kết quả đ công ố trên thế giới 109

ác kết quả so sánh v độ xốp k ch thước ỗ xốp 109

So sánh v các t nh ch t cơ h c 112

ng d ng chế th miếng đệm đốt ưng nh n tạo từ vật iệu iTi xốp chế tạo ng phương pháp S S – MA 116

5.4.1 Miếng đệm đốt sống nh n tạo và các yêu c u 116

hế th miếng đệm đốt sống nh n tạo 119

ết uận chương 122

K T LU N 124

TÀI LI U THAM KH O 126

T Đ U 132

133

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

1 C

Nitinol: ợp kim iTi Nickel Titanium Naval Ordnance Laboratory)

SHS: hản ứng nhiệt độ cao tự an truy n Se f-propagating High-temperature Synthesis)

MA: ợp kim hóa cơ h c echanica oying)

VS: Thiêu kết ch n không Vacuum Sintering)

SMAs: Vật iệu nhớ h nh Shape Memory Alloys)

RS: Đông đặc nhanh apid So idification)

HIP: p nóng đẳng t nh Hot Isostatic Pressing)

CF-HIP: p nóng đẳng t nh Capsule Free-Hot Isostatic Pressing)

CS: Thiêu kết thông thường Conventional Sintering)

SPS: Thiêu kết xung p asma Spark Plasma Sintering)

SIM: actenxit g y nên ởi ứng su t (Stress-Induced Mactenxit)

SSR: hản ứng ở trạng thái rắn Solid State Reaction)

MIM: Đ c án ng Melting Injection Mold)

MA: oạt hóa cơ h c Mechanical Activation)

EDX: h tán sắc n ng ượng tia ơn-ghen (Energy Dispersive X-ray Spectroscopy)

SEM: nh hiển vi điện t qu t Scanning ectron icrocopy)

XRD: h nhi u xạ tia ơn-ghen (X-ray Diffraction)

DSC: h n t ch nhiệt vi sai ifferentia Scanning a orimetry)

9’: iểu mạng đơn nghiêng

Mt: Song tinh Mactenxit

Md: Song tinh actenxit iến dạng

Ms: hiệt độ ắt đ u actenxit

Mf: hiệt độ kết th c actenxit

As: hiệt độ ắt đ u ustenit

Af: hiệt độ kết th c ustenit

s: ng su t ắt đ u iến dạng song tinh

f: ng su t kết th c iến dạng song tinh

T0: hiệt độ môi trường

Tp: hiệt độ nung sơ ộ

Tad: hiệt độ đoạn nhiệt

k: Độ d n nhiệt

keff: Độ d n nhiệt hiệu d ng

Cp: hiệt dung riêng

: T tr ng

V: Tốc độ an truy n sóng cháy tốc độ cháy)

E: ng ượng hoạt hóa cho phản ứng

R: ng số kh tưởng

D0: ệ số khuếch tán

Deff: ệ số khuếch tán hiệu d ng

r0: ch thước hạt kim oại an đ u

rr: ch thước hạt kim oại không chảy ng

: Độ xốp

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

B ng 1.1 Một số tính ch t cơ h c cơ ản của vật iệu siêu đàn h i iTi đặc 7

B ng 1.2 ơ t nh và khả n ng ph c h i iến dạng của vật iệu iTi có độ xốp 8÷60% 8

B ng 2.1 Một vài hợp ch t điển h nh được chế tạo ng phương pháp S S 33

B ng 3.1 T nh n ng k thuật của kính hiển vi điện t quét Hitachi S-4800 58

B ng 4.1 Chế độ hoạt hóa cơ h c hỗn hợp bột i-Ti an đ u 68

ết quả so sánh độ xốp sản ph m vật iệu siêu đàn h i iTi xốp do đ tài uận án thực hiện với các công ố trước đ y s d ng phương pháp S S) 109

So sánh sự khác nhau giữa các phương pháp chế tạo vật iệu iTi xốp 111

ch thước các miếng đệm x có mặt phẳng song song 118

ch thước các miếng đệm x có mặt phẳng không song song 118

ch thước các miếng đệm 118

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ

Hình 1.1 Tháp chuông với các dây ch ng và ứng x của vật iệu siêu đàn h i n n sắt 6

Hình 1.2 Giản đ trạng thái Ni – Ti 7

nh c u tr c tế vi của vật iệu NiTi xốp 9

Hình 1.4 Sơ đ quá tr nh chế tạo vật iệu iTi xốp b ng phương pháp thiêu kết thông thường và thiêu kết chân không 13

Hình 1.5 Sơ đ quá tr nh chế tạo vật liệu NiTi xốp b ng phương pháp hợp kim hóa cơ h c 14

Hình 1.6 Sơ đ quá tr nh chế tạo vật iệu iTi xốp b ng phương pháp phản ứng nhiệt độ cao tự lan truy n 15

Sơ đ quá tr nh chế tạo vật iệu iTi xốp ng phương pháp thiêu kết xung plasma 16

Sơ đ quá tr nh chế tạo vật iệu iTi xốp ng phương pháp p nóng đẳng t nh 17

Hình 1.9 Đ xu t sơ đ công nghệ chế tạo vật iệu iTi xốp b ng phương pháp kết hợp S S – trong đi u kiện th nghiệm Việt am 17

Đường cong ứng su t – biến dạng của vật liệu siêu đàn h i 19

ha iTi c u tr c ustenit và pha iTi c u tr c actenxit 9’ trong các vật liệu siêu đàn h i 20

iểu di n hiệu ứng nhớ hình của vật liệu siêu đàn h i thể hiện quá tr nh iến dạng song tinh actenxit khi ch t tải 21

iểu di n hiệu ứng nhớ hình của vật liệu siêu đàn h i khi nung nóng không tải. 22

Nhiệt độ chuyển biến pha khi có tải 22

Đường ch t tải của hiệu ứng siêu đàn h i 23

Biểu đ ứng su t – biến dạng siêu đàn h i 24

iểu đ ứng su t – biến dạng – nhiệt độ của vật liệu nhớ hình NiTi 25

Giản đ pha và hai đường tải tr ng siêu đàn h i 26

Chu trình ch t tải siêu đàn h i 27

Hình 2.11 nh hưởng của thành ph n Ni (% nguyên t ) đến nhiệt độ chuyển biến pha c u tr c actenxit s của vật liệu siêu đàn h i NiTi 28

ác đường cong ứng su t – iến dạng n n) của vật iệu siêu đàn h i iTi xốp

chế tạo ng a phương pháp khác nhau các m u th n n hóa già ở nhiệt độ C trong 0,5h sau làm nguội trong nước đá) 29

Đường cong ứng su t – iến dạng n n) của vật iệu siêu đàn h i iTi xốp chế

tạo ng phương pháp - và phương pháp S với các độ xốp khác nhau các m u hóa già ở nhiệt độ  trong h r i àm nguội trong nước đá) 30

nh hưởng của x nhiệt đến nhiệt độ chuyển pha của vật iệu siêu đàn h i

NiTi 31

nh hưởng của x nhiệt đến giới hạn n và ứng su t ắt đ u chuyển iến

pha của vật iệu siêu đàn h i iTi 31

Hình 2.16 iểu đ nhiệt độ – thời gian trong phản ứng SHS 32 Hình 2.17 ô h nh chế độ cháy lan truy n và cháy đ ng thời trong các phản ứng SHS 34

ối quan hệ entanpy – nhiệt độ của các ch t phản ứng và sản ph m trong các

hệ phản ứng S S không có chuyển pha 35

19 ối quan hệ Δ 98) ∑njCp(Pj) 98) – nhiệt độ đoạn nhiệt Tad) khi t ng hợp một số hợp ch t ng phương pháp S S 37

nh hưởng của k ch thước hạt ột i đến tốc độ di chuyển mặt cháy khi chế

tạo vật iệu iTi ng phương pháp S S 43

nh hưởng của k ch thước hạt ột i đến t tr ng tương đối của sản ph m vật

iệu iTi nhận được sau phản ứng S S 43

h X m u vật iệu iTi chế tạo ng phương pháp S S 44

nh 2.23 nh hưởng của t tr ng đóng ánh và nhiệt độ nung sơ ộ đến t tr ng của sản

ph m vật iệu iTi nhận được sau phản ứng S S T : t tr ng thuyết) 46

nh 2.24 nh hưởng của t tr ng đóng ánh và nhiệt độ nung sơ ộ đến tốc độ an

truy n sóng cháy khi chế tạo vật iệu iTi ng phương pháp S S 46

nh hưởng của t tr ng đóng ánh đến nhiệt độ cháy của khối p ở nhiệt độ

nung sơ ộ Tp = 200 khi chế tạo vật iệu iTi ng phương pháp S S 47

nh hưởng của t tr ng đóng ánh đến nhiệt độ m i a k ch hoạt phản ứng

SHS khi chế tạo vật liệu compoz t g–Al2O3 47

Hình 2.27 ối quan hệ của nhiệt độ cháy và thời gian m i a với t tr ng đóng ánh

tương đối trong quá tr nh chế tạo iên kim Ti ng phương pháp phản ứng S S 48

Hình 2.28 Đ th iểu th mối quan hệ entanpy – nhiệt độ của vật iệu iTi 49

nh hưởng của nhiệt độ nung sơ ộ Tp đến nhiệt độ cháy Tc khi chế tạo vật iệu

iTi ng phương pháp S S 49

Hình 2.30 nh hưởng của nhiệt độ nung sơ ộ Tp đến ph n thể tích chảy l ng của m u vật iệu iTi xốp trong quá trình phản ứng SHS 50

Hình 2.31 nh hưởng của thời gian hoạt hóa cơ h c tMA đến nhiệt độ cháy Tc và nhiệt độ m i a k ch hoạt phản ứng Tig trong các phản ứng S S 52

Hình 3.1 áy ph n t ch nhi u xạ ơn-ghen D5000 – SIEMENS 55

Hình 3.2 Kính hiển vi điện t qu t ph n xạ trường Hitachi S-4800 57

Hình 3.3 áy TS 8 9 d ng để xác đ nh các tính ch t cơ h c cơ ản của vật liệu NiTi xốp 59

Thiết ph n t ch nhiệt vi sai S ett er To edo 60

n điện t Scientech với độ ch nh xác –4g 61

Hình 3.6 áy trộn tang trống do nhóm nghiên cứu thiết kế chế tạo 61

Hình 3.7 áy nghi n cánh khu y do nhóm nghiên cứu tự thiết kế chế tạo 62

Hình 3.8 Các chi tiết c m tang nghi n máy nghi n cánh khu y: 62

Hình 3.9 Máy ép thủy lực 1000KN 63

Hình 3.10 Sơ đ nguyên lý hệ thống thiết b thí nghiệm thực hiện phản ứng S S chế tạo vật iệu iTi xốp do nhóm nghiên cứu đ xu t chế tạo 64

Hình 3.11 Hệ thống thiết b m i l a kích hoạt phản ứng S S chế tạo vật iệu iTi xốp do nhóm nghiên cứu thiết kế chế tạo 65

Hình 3.12 T ng hợp hệ thống thiết b thí nghiệm thực hiện phản ứng S S: điện trở ống ngang và các thiết b đi u khiển, hiển th + hệ thống c p khí Argon bảo vệ + hệ thống m i l a b ng cuộn dây W do nhóm nghiên cứu thiết kế chế tạo 65

áy cắt d y chế tạo m u th nghiệm 66

Hình 4.1 Kết quả phân tích EDX và ảnh SEM của bột Ni và Ti nguyên liệu 67

Hình 4.2 nh S hỗn hợp ột i-Ti sau quá tr nh hoạt hóa cơ h c 69

Hình 4.3 Ph XRD hỗn hợp bột i-Ti sau quá tr nh hoạt hóa cơ h c 2h 70

Hình 4.4 Hình dạng m u hỗn hợp ột i-Ti sau khi p đóng ánh 70

Hình 4.5 M u i-Ti sau khi m i a ở nhiệt độ nung sơ ộ Tp = 450÷550 hỗn hợp ột Ni-Ti ch được trộn hoặc hoạt hóa cơ h c trong thời gian tMA = 0÷1,5h): 72

Hình 4.6 M u phản ứng S S ở nhiệt độ nung sơ ộ Tp = 600C (hỗn hợp bột kim oại i-Ti an đ u không được hoạt hóa cơ h c) 72

Hình 4.7 nh SEM mặt cắt vật iệu iTi chế tạo ng phương pháp phản ứng S S ở

nhiệt độ nung sơ ộ Tp = 600C (hỗn hợp bột Ni-Ti an đ u không được hoạt hóa cơ h c) 73

Hình 4.8 Ph XRD m u th nghiệm sau khi m i l a ở nhiệt độ Tp = 550C (bột ch được trộn) 74

Hình 4.9 Ph XRD m u th nghiệm sau khi m i l a ở nhiệt độ Tp = 550C (bột hoạt hóa 1,0h) 75

Hình 4.10 Ph XRD của m u vật iệu iTi chế tạo ng phương pháp SHS ở nhiệt độ

nung sơ ộ Tp = 600C (hỗn hợp bột không được hoạt hóa cơ h c) 76

Hình 4.11 uá tr nh hình thành pha NiTi b ng phản ứng khuếch tán ở trạng thái rắn 77 Hình 4.12 Hình dạng điển hình các m u vật iệu iTi nhận được sau phản ứng SHS 79 Hình 4.13 M u vật iệu iTi thực hiện phản ứng S S ở nhiệt độ nung sơ ộ Tp = 550 ÷

600C (hỗn hợp bột kim oại được hoạt hóa cơ h c tMA = 1,5 ÷ 2,0h) 79

Hình 4.14 M u vật iệu iTi chế tạo ng phương pháp S S phản ứng xảy ra ở chế độ

đ ng thời 80

Hình 4.15 M u vật iệu iTi chế tạo ng phương pháp S S phản ứng xảy ra ở chế độ

đ ng thời 81

Hình 4.16 Ph XRD vật iệu iTi xốp chế tạo ng phương pháp S S ở nhiệt độ nung sơ

bộ Tp = (250 ÷ 600)C (hỗn hợp bột được hoạt hóa cơ h c) 81

Hình 4.17 Ph X vật iệu iTi xốp tự phản ứng khi chế tạo ng phương pháp S S ở

nhiệt độ nung sơ ộ Tp = 500C (hỗn hợp bột được hoạt hóa cơ h c) 82

Hình 4.18 Mặt cắt và mặt g y sản ph m vật iệu iTi xốp chế tạo ng phương pháp

SHS–MA 83

Hình 4.19 Mặt cắt (d c và ngang) sản ph m vật iệu iTi xốp chế tạo ng phương pháp

SHS – MA ở các nhiệt độ nung sơ ộ Tp > 550C 84

Hình 4.20 Mặt cắt d c sản ph m vật iệu iTi xốp chế tạo ng phương pháp S S – MA

ở các nhiệt độ nung sơ ộ Tp < 550C 85

Hình 4.21 Mặt cắt ngang sản ph m vật iệu iTi xốp chế tạo ng phương pháp S S –

MA ở các nhiệt độ nung sơ ộ Tp < 550C 86

Hình 4.22 nh SEM mặt g y d c sản ph m vật iệu iTi xốp chế tạo ng phương pháp

SHS–MA ở nhiệt độ nung sơ ộ Tp = 250C 86

Hình 4.23 nh SEM mặt g y d c sản ph m vật iệu iTi xốp chế tạo ng phương pháp

SHS – MA ở nhiệt độ nung sơ ộ Tp = 300C 87

Hình 4.24 nh SEM mặt g y d c sản ph m vật iệu iTi xốp chế tạo ng phương pháp

SHS – MA ở nhiệt độ nung sơ ộ Tp = 400C 87

Hình 4.25 nh SEM mặt g y ngang sản ph m vật iệu iTi xốp chế tạo ng phương

pháp SHS – MA ở nhiệt độ nung sơ ộ Tp = 250C 87

Hình 4.26 nh SEM mặt g y ngang sản ph m vật iệu iTi xốp chế tạo ng phương

pháp SHS – MA ở nhiệt độ nung sơ ộ Tp = 300C 88

Hình 4.27 uan hệ giữa độ xốp trung nh của sản ph m vật iệu siêu đàn h i iTi xốp và

nhiệt độ nung sơ ộ Tp chênh ệch dao đông trong khoảng ) 89

Hình 4.28 ơ chế hình thành lỗ xốp do độ xốp an đ u sau khi đóng ánh trong quá tr nh

chế tạo vật iệu iTi xốp b ng phương pháp S S 90

Hình 4.29 ô h nh quá tr nh tự lan truy n phản ứng khi chế tạo vật iệu iTi xốp từ hỗn

nh ch p các m u vật iệu iTi xốp sau khi th n n chưa x nhiệt) 96

6 nh S mặt g y m u vật iệu iTi xốp sau khi n n phá hủy chưa x

nhiệt) 96

Hình 5.7 Đường cong ứng su t – biến dạng m u vật iệu iTi độ xốp 55% sau quá trình

x lý nhiệt ở nhiệt độ Tn = 500C, thời gian x lý tn = 4h 98

Hình 5.8 Đường cong ứng su t – biến dạng m u vật iệu iTi độ xốp 47% sau quá trình

x lý nhiệt ở nhiệt độ Tn = 500C, thời gian x lý tn = 4h 98

Hình 5.9 Đường cong ứng su t – biến dạng m u vật iệu iTi độ xốp 50% sau quá trình

x lý nhiệt ở nhiệt độ Tn = 450C, thời gian tn = 4,0h 99

Hình 5.10 Đường cong ứng su t – biến dạng m u vật iệu iTi độ xốp 55% sau quá trình

x lý nhiệt ở nhiệt độ Tn = 500C, thời gian tn = 4,5h 99

Hình 5.11 Đường cong ứng su t – biến dạng m u vật iệu iTi độ xốp 55% sau quá trình

x lý nhiệt ở nhiệt độ Tn = 500C, thời gian x lý tn = 4h khi nén phá hủy m u 100

Hình 5.12 Đường cong ứng su t – biến dạng m u vật iệu iTi độ xốp 50% sau quá trình

x lý nhiệt ở nhiệt độ Tn = 500C, thời gian x lý tn = 4,5h khi nén phá hủy m u 100

3 nh ch p các m u vật iệu siêu đàn h i iTi xốp được x nhiệt sau khi th

b ng phương pháp S S sau quá tr nh n n phá hủy m u 105

Hình 5.18 Đường cong ứng su t – biến dạng m u vật iệu iTi độ xốp chưa x

nhiệt) sau khi x kết quả 106

Hình 5.19 Đường cong ứng su t – biến dạng m u vật iệu iTi độ xốp chưa x

nhiệt) sau khi x kết quả 107

Hình 5.20 Đường cong ứng su t – biến dạng m u vật iệu iTi độ xốp 55% (sau quá trình

x lý nhiệt ở nhiệt độ Tn = 500C, thời gian x lý tn = h) sau khi x kết quả 107

Hình 5.21 Đường cong ứng su t – biến dạng m u vật iệu iTi độ xốp 50% (sau quá trình

x lý nhiệt ở nhiệt độ Tn = 450C, thời gian tn = 4,0h) sau khi x kết quả 108

Hình 5.22 Đường cong ứng su t – biến dạng m u vật iệu iTi độ xốp 55% (sau quá trình

x lý nhiệt ở nhiệt độ Tn = 500C, thời gian x lý tn = 4h) khi nén phá hủy m u sau khi x kết quả 108

So sánh ảnh S t chức xốp của vật iệu iTi do đ tài uận án thực hiện với

các công tr nh đ công ố c ng chế tạo ng phương pháp phản ứng SHS) 110

So sánh đường cong ứng su t – iến dạng của m u vật iệu siêu đàn h i iTi

xốp do đ tài uận án thực hiện với các công tr nh đ công ố iến dạng ở nhiệt độ môi trường) 113

So sánh đường cong ứng su t – iến dạng của m u vật iệu iTi xốp do đ tài

thực hiện với các công tr nh đ công ố khi n n phá hủy m u iến dạng ở nhiệt độ môi trường) 114

Hình 5.26 So sánh đường cong ứng su t – iến dạng của m u vật iệu iTi xốp chế tạo

ng các phương pháp khác nhau: a phương pháp S kết hợp ch t d ay hơi; phương pháp S S– do đ tài thực hiện; c phương pháp 115

iếng đệm đốt sống nh n tạo chế tạo từ vật iệu siêu đàn h i iTi xốp 116

ô h nh thay thế miếng đệm đốt sống nh n tạo 117

V tr miếng đệm đốt sống ưng a) và đốt sống c ) trong cơ thể người 117

uy tr nh công nghệ chế tạo th nghiệm miếng đệm đốt sống nh n tạo từ m u

vật iệu iTi xốp chế tạo ng phương pháp S S – MA 119

Sản ph m vật iệu siêu đàn h i iTi xốp được chế tạo ng phương pháp S

S-MA: 120

ch thước các m u miếng đệm đốt sống nh n tạo 120

nh dạng miếng đệm đốt sống nh n tạo sau khi cắt trên máy cắt d y 121

nh dạng miếng đệm đốt sống nh n tạo do đ tài uận án chế tạo th nghiệm

sau khi gia công tinh ch nh 122

MỞ ĐẦU

L

Hiện nay trên thế giới, vật iệu NiTi (còn được g i ph biến với tên Nitinol) với các tính ch t siêu đàn h i và hiệu ứng nhớ hình đ thu h t được r t nhi u nghiên cứu và các

nh vực ứng d ng khác nhau Chúng g m hai hệ vật iệu: NiTi đặc và NiTi xốp

Vật iệu iTi đặc do đặc tính r t m m dẻo nên ch ng thường được ứng d ng dưới dạng vật liệu y sinh trong nh vực ph u thuật tim mạch như: các thiết b bít van tâm th t, van t m nh [43,69,52], l c Simon để l c các c c máu đông trong động mạch [43], các stent tự giãn nở trong các mạch máu khi b co cắt hoặc b phình [52] …; trong nh vực

ch nh h nh như: các thiết b ch nh r ng [29], các thiết b nội soi b ng [43]; các thiết b phân loại van tim nhân tạo [52]… goài các ứng d ng trong nh vực vật liệu y sinh, vật iệu iTi đặc c n được ứng d ng trong nhi u nh vực khác như: thiết b gia d ng, thiết b điện t , thời trang, công nghiệp hàng không v tr , động cơ nhiệt [52]…

Vật iệu NiTi xốp, sự quan tâm chủ yếu là các nghiên cứu ứng d ng trong nh vực vật liệu y sinh để chế tạo xương nhân tạo, miếng đệm đốt sống nh n tạo, các c y gh p mô thay thế trong cơ thể con người [3,10,68] Vật liệu NiTi xốp h p d n các nhà nghiên cứu bởi các tính ch t đặc biệt quý báu [3]: 1- Khả n ng ph c h i lại hình dạng: giúp cho quá trình c y gh p được di n ra một cách thuận tiện và đảm bảo n đ nh cơ h c với các khớp xương khác; 2- T nh tương th ch sinh h c cao đối với cơ thể so với các loại vật liệu c y

gh p khác như: th p không g và titan đ được chứng minh không gây nên các d ứng khi

c y gh p vào cơ thể con người); 3- Hệ vật liệu này có: độ b n cao (tránh được biến dạng phá hủy) độ cứng th p (tránh phản ứng c ng cơ của cơ thể) độ dai va đập cao (tránh v khi cơ thể vận động); 4- dạng xốp các mô xương và mô cơ trong cơ thể người có thể phát triển vào các lỗ xốp và tạo nên liên kết giữa xương nhân tạo và xương, giữa xương nhân tạo và mô cơ thể; hơn nữa độ xốp lớn với t lệ độ xốp hở cao có thể đảm bảo cho ch t

d ch của cơ thể d dàng truy n qua khi c y ghép

Việt Nam, các vật liệu y sinh hiện nay đ u phải nhập kh u từ nước ngoài chủ yếu

từ h ng Biorthex Inc., Canada), chúng r t đắt; trong khi đó nhu c u thay thế r t lớn làm cho các chi phí y tế t ng ên nhi u Do vậy việc chủ động tiếp cận công nghệ sản xu t vật iệu y sinh là một hướng nghiên cứu phù hợp và à đ i h i c n thiết

Đó chính là một trong những lý do tác giả ựa ch n đ tài Nghiên cứu chế tạo vật

liệu siêu đàn hồi hệ NiTi trong đi u kiện thí nghiệm Việt am Sự thành công của đ tài

uận án sẽ à khởi đ u trong việc chế tạo vật liệu y sinh, thay thế các vật iệu nhập ngoại

2 M

- ghiên cứu chế tạo vật iệu siêu đàn h i NiTi xốp b ng phương pháp phản ứng nhiệt độ cao tự lan truy n (SHS) kết hợp với hoạt hóa cơ h c )

- Nghiên cứu đánh giá ảnh hưởng của nhiệt độ nung sơ ộ và thời gian hoạt hóa cơ

h c đến khả n ng phản ứng và độ xốp của hệ vật liệu siêu đàn h i NiTi xốp chế tạo b ng phương pháp S S – MA

- Nghiên cứu đánh giá ảnh hưởng của x lý nhiệt đến các tính ch t cơ h c vật liệu siêu đàn h i NiTi xốp chế tạo b ng phương pháp SHS – MA

Đ

Vật liệu siêu đàn h i NiTi xốp với m c đ ch ứng d ng làm vật liệu y sinh (miếng đệm đốt sống nh n tạo): công nghệ chế tạo và các tính ch t cơ h c

P

- Nghiên cứu cơ sở lý thuyết các vật liệu siêu đàn h i

- Nghiên cứu cơ sở lý thuyết và các công nghệ chế tạo vật liệu NiTi xốp

- Kết hợp nghiên cứu thuyết với thực nghiệm trên các thiết b hiện đại các phương pháp phân tích, kiểm tra và phương pháp đối chứng

- uận án đ đ xu t được công nghệ chế tạo vật iệu siêu đàn h i iTi xốp có t ệ

ỗ xốp hở cao ng phương pháp S S – từ ột i và ột Ti độ tinh khiết 99 9 ) để

s d ng chế tạo các miếng đệm đốt sống nh n tạo àm ti n đ cho các nghiên cứu phát triển tiếp theo ở Việt am v nh vực vật iệu y sinh nói chung

- ng d ng và tiếp cận được công nghệ chế tạo vật liệu tiên tiến trên thế giới

N

- Vật iệu siêu đàn h i iTi xốp một oại vật iệu mới với các t nh ch t đặc iệt n

đ u tiên được nghiên cứu chế tạo ở Việt am

- n đ u tiên phương pháp kết hợp giữa hoạt hóa cơ h c ) và phản ứng nhiệt độ cao tự an truy n S S) được ứng d ng để chế tạo vật iệu siêu đàn h i iTi xốp Thành tựu này thật sự mới chưa từng được công ố trên thế giới ác kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của hoạt hóa cơ h c đến phản ứng S S và ch t ượng sản ph m vật iệu iTi xốp

đ được S công ố tại ội ngh quốc tế STS n thứ t chức ở ng cốc Thái an

n m

- uận án xác đ nh được các thông số công nghệ ch nh và mi n khảo sát để chế tạo vật iệu siêu đàn h i iTi xốp ng phương pháp S S – MA Đ àm r ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến quá tr nh SHS – MA và các t nh ch t cơ ản của vật iệu siêu đàn

h i iTi xốp từ đó đ đưa ra chế độ công nghệ chế tạo ph hợp

- ng d ng các kết quả nghiên cứu đ chế tạo th thành công hai dạng sản ph m miếng đệm đốt sống nh n tạo m hiệu - 9 và -0911)

CHƯƠNG TỔNG QUAN VẬT LIỆU SIÊU ĐÀN HỒI NiTi

VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP CHẾ TẠO

1.1 G

Siêu đàn h i, hay c n được g i là giả đàn h i, là biến dạng đàn h i dưới tác d ng của

ứng su t được gây nên bởi quá trình chuyển biến pha Austenit  pha Mactenxit của mạng

tinh thể ở một nhiệt độ xác đ nh nhưng không có hiệu ứng khuếch tán Hiện tượng này được thể hiện rõ trong các vật liệu nhớ hình Thay vì kéo giãn các liên kết hoặc thêm vào các lệch trong mạng tinh thể, hiện tượng siêu đàn h i được gây nên bởi chuyển động thuận ngh ch của biên giới mi n trong quá trình chuyển biến pha Biến dạng c ng có thể được

ph c h i do quá trình nung nóng ngay cả khi biên giới mi n b hãm lại Sau khi d tải vật liệu siêu đàn h i có thể ph c h i ại hình dạng trước đó, thậm ch ở mức độ biến dạng tương đối lớn [26]

iện nay có a dạng vật iệu siêu đàn h i được s d ng ph iến hơn cả Đó à:

v tính d n điện và d n nhiệt tốt [70,76]

Tuy nhiên, những ứng d ng thực ti n của vật liệu này v n còn b hạn chế bởi độ n

đ nh nhiệt và độ b n cơ h c kém, c hạt tương đối thô đại, tính chống hóa già th p, chúng

trải qua quá trình n đ nh Mactenxit và cuối cùng m t các tính ch t đàn nhiệt Khả n ng

ph c h i iến dạng của vật liệu siêu đàn h i đa tinh thể n n đ ng ph thuộc vào t ệ kích thước hạt (d) so với k ch thước m u Thành ph n hóa h c c ng ảnh hưởng nh t đ nh đến khả n ng ph c h i iến dạng của vật liệu siêu đàn h i n n đ ng [19]

Vật liệu siêu đàn h i n n đ ng rẻ hơn nhi u so với vật iệu siêu đàn h i iTi ại có thể được n u trong không khí mà không c n bảo vệ Vật liệu này r t phù hợp để cán nóng

c n cán nguội ch được ng d ng khi thành ph n Ni th p (< 6% tr ng ượng)

Với vật liệu siêu đàn h i n n đ ng Cu–Zn k ch thước hạt r t lớn, khả n ng ph c h i iến dạng có thể đạt trên Tuy nhiên đa tinh thể vật liệu n n đ ng thường giòn và là

nguyên nhân d n đến phá hủy giữa các hạt bởi mức độ sắp xếp cao trong pha  gốc với c u trúc B2, D03 hoặc L21 và t lệ đàn h i d hướng cao trong pha  o đó độ b n m i của vật liệu siêu đàn h i n n đ ng với các hạt thô đại là r t th p h các đa tinh thể vật liệu siêu đàn h i n n đ ng với khả n ng h i ph c biến dạng giới hạn dưới 2% có thể được ứng

d ng trong thực tế [76]

Trong số các vật liệu siêu đàn h i n n đ ng, hợp kim Cu–Al–Ni (chứa từ 11 ÷ 14,5%Al, 3 ÷ 5%Ni, tính theo tr ng ượng) và Cu–Zn–Al (chứa từ 15 ÷ 30%Zn, 3 ÷ 7%Al, tính theo tr ng ượng) được s d ng nhi u nh t và đ có các sản ph m thương mại Hợp kim Cu–Al– i có độ n đ nh nhiệt tốt nh t, cho phép s d ng ở nhiệt độ cao, phạm vi

nhiệt độ chuyển biến pha Mactenxit  Austenit rộng từ – đến +200C [56] Hợp kim Cu–Zn–Al có phạm vi nhiệt độ chuyển biến pha từ – 8 đến +200C [22]

ác phương pháp chủ yếu chế tạo vật liệu siêu đàn h i n n đ ng là: n u chảy, làm nguội nhanh (RS) [45,66], hợp kim hóa cơ h c ) p nóng đẳng t nh ) hoặc phối hợp giữa hai phương pháp và [ ] Vật liệu siêu đàn h i n n đ ng được ứng d ng trong r t nhi u nh vực Chẳng hạn, ch ng được ứng d ng làm các d ng c

cư ng bức h i ph c như các van an toàn cháy; àm các thiết b d n động như ống nối cho các ống Cu và Al, làm các bộ đi u ch nh theo t lệ như các van đi u khiển …[51]

1.1.2 V

Bên cạnh vật liệu siêu đàn h i n n đ ng, vật liệu siêu đàn h i n n sắt (v d : Fe–Mn–

Si, Fe–Mn–Si–Cr–Ni) c ng thu h t được sự quan tâm r t lớn của các nhà nghiên cứu trong khoảng ba thập k g n đ y do ch ng có ti m n ng ớn trong k thuật và ch ng rẻ nh t trong số các loại vật liệu có khả n ng đặc biệt này m 98 Sato và các cộng sự l n đ u tiên phát hiện hiệu ứng siêu đàn của h i vật liệu này ở đơn tinh thể Fe–30%Mn–1%Si (theo tr ng ượng) Sau đó hiệu ứng siêu đàn h i của hệ này tiếp t c được phát hiện ở đa tinh thể ởi Marakumi và các cộng sự vào n m 98 [67] Khả n ng ph c h i hoàn toàn iến dạng của vật liệu này thường không quá 2% [38] Vật liệu này có khả n ng àm việc,

t nh n ng gia công và t nh hàn r t tốt [21] Tuy nhiên c ng giống như vật liệu siêu đàn h i

n n đ ng, các ứng d ng của vật liệu n n sắt b giới hạn do khối ượng riêng lớn Nhiệt độ chuyển biến pha của ch ng tương đối cao (120 ÷ 200)° ho đến nay, vật liệu siêu đàn

h i n n sắt được s d ng ph biến hơn cả là Fe–Mn–Si, thành ph n (28 ÷ 34)%Mn, (4 ÷ 6,5)%Si tính theo tr ng ượng Ngoài ba nguyên tố chính này, còn có thể sung thêm các nguyên tố khác để cải thiện một số tính ch t của chúng (ví d như Cr, Ni, ) Việc sung nguyên tố Cr nh m m c đ ch cải thiện độ b n mòn Tuy nhiên, nhiệt độ chuyển biến pha

M s giảm khi hàm ượng Cr t ng và d n đến sự tạo thành Ni sẽ hạn chế sự hình thành

và do đó cải thiện tính siêu đàn h i của vật liệu này [49] Vật liệu siêu đàn h i n n sắt

ngày nay đang được ứng d ng trong một số nh vực nh t đ nh, chủ yếu trong nh vực kết

c u xây dựng dân d ng Chúng có thể d ng để chế tạo các thiết b hỗ trợ trong các kết c u

k thuật xây dựng phòng chống động đ t cho các nhà cao t ng với nguyên lý làm việc như trên hình 1.1; ứng d ng để h i ph c lại các vùng b g y trong kết c u c u đường cao tốc; ứng d ng trong kết c u bê tông cốt thép dự ứng lực [46] …

ác phương pháp chủ yếu để chế tạo vật liệu siêu đàn h i hệ n n sắt g m: n u chảy, hợp kim hóa cơ h c (MA), thiêu kết thông thường (CS) …

Hình 1.1. Tháp chuông với các dây chằ s ê đ hồi s [46].

1.1.3 V si N T NiTi

Vật iệu siêu đàn h i hệ NiTi (c n được g i với tên Nitinol – à chữ viết tắt của c m

từ Nickel Titanium Naval Ordnance Laboratory) là vật iệu t n tại chủ yếu ở pha NiTi cân

b ng nguyên t theo t lệ 50%Niken (Ni) – 50%Titan (Ti) Hiệu ứng nhớ h nh của vật iệu

hệ NiTi được phát hiện đ u tiên bởi Wi iam ue er c ng các cộng sự tại ph ng th nghiệm ava ) khi chế tạo các van cánh ướm ph c v chương tr nh nghiên cứu không gian của NASA những n m 9 –1963 [30] ể từ đó, hệ vật liệu này đ thu h t r t nhi u sự quan tâm và đến nay NiTi đ trở thành vật liệu siêu đàn h i ph biến nh t, cả trong nghiên cứu c ng như các ứng d ng thực ti n Vật liệu siêu đàn h i iTi có khả n ng

ph c h i iến dạng tốt (ở mức độ biến dạng đến 8% v n có thể ph c h i v hình dạng ban

đ u khi d tải), độ b n m i c ng như b n mòn r t cao tương th ch sinh h c tốt với cơ thể người ơn nữa vật iệu này nhẹ hơn nhi u so với vật liệu siêu đàn h i n n đ ng và n n sắt Nhiệt độ chuyển biến pha tương đối th p và dao động trong phạm vi tương đối hẹp, từ – 100 đến + 100C

nh à giản đ trạng thái hệ vật iệu i – Ti ó thể nhận th y nhiệt độ th p

nh t để t n tại pha NiTi cân b ng v nguyên t khi tốc độ àm nguội đủ chậm ở khoảng

630 hiệt độ chảy của vật iệu ở pha iTi à khoảng 1310C hi àm nguội xuống dưới nhiệt độ 630C, thành ph n pha của hệ vật iệu iTi thường bao g m các pha: NiTi, NiTi2, Ni3Ti, Ni4Ti3 trong đó i4Ti3 có thể coi à sự kết hợp của 2 pha NiTi2 và Ni3Ti) ảng và thể hiện một số t nh ch t cơ h c cơ ản của vật iệu siêu đàn h i hệ NiTi đặc và xốp

Để cải thiện một số t nh ch t cơ h c của vật iệu siêu đàn h i iTi ngoài hai nguyên

tố i và Ti có thể phối trộn thêm một số nguyên tố khác Ta u o…) trong quá tr nh chế tạo tạo nên vật iệu siêu đàn h i n n iTi [42]

ó nhi u phương pháp khác nhau được ứng d ng để chế tạo vật liệu iTi Việc ựa

ch n phương pháp chế tạo t y thuộc m c đ ch ứng d ng của vật liệu: phương pháp n u chảy; phương pháp hợp kim hóa cơ h c ); phương pháp p nóng đẳng t nh -HIP hoặc HIP); phương pháp thiêu kết xung plamsa (SPS); phương pháp thiêu kết thông thường (CS) hoặc thiêu kết trong chân không (VS); phương pháp ti n hợp kim hóa [17] hương pháp n u chảy thường được ứng d ng để chế tạo vật liệu NiTi ở trạng thái đặc do đó vật iệu r t dẻo, khả n ng iến dạng đàn h i r t tốt, khả n ng ph c h i tốt nhưng khó khống chế chính xác thành ph n hóa h c, hơn nữa việc n u chảy thường àm t n hao kim loại Khi n u chảy thường dùng các lò chân không hoặc lò có khí bảo vệ Phương pháp này thường phải kết hợp với cán nguội k o nguội để tạo h nh sản ph m theo yêu c u

ng su t ắt đ u chuyển iến ustenit, MPa Trên 400

ác phương pháp - S S VS S và S S được s d ng ph biến để chế tạo vật liệu NiTi xốp và vật liệu dạng này được ứng d ng chủ yếu trong nh vực y sinh Mặc d có sự khác iệt nh t đ nh v phương pháp ph n ớn NiTi xốp được chế tạo

từ ột nguyên ch t của i và Ti đ u đáp ứng đ y đủ các yêu c u của vật liệu y sinh: t ệ ỗ xốp hở trong khoảng 80 h nh 3) k ch thước ỗ xốp trong khoảng ÷600m, độ

n cao tối thiểu a ở mức độ iến dạng ) mức độ ph c h i iến dạng cao ph c

h i trên khi iến dạng dưới tải tr ng đến 8 ) mô đun đàn h i th p g n ng mô đun đàn h i của v xương khoảng 12÷20GPa) hoặc mô đun đàn h i của xương xốp (nh hơn 3GPa) [20]

Trong thực tế với m c đ ch ứng d ng để chế tạo các miếng đệm đốt sống nh n tạo vật iệu NiTi xốp có t chức xốp như trên h nh thường được s d ng nh m phát huy một số các t nh ch t ưu việt sau:

1- Khả n ng ph c h i lại hình dạng tốt: gi p cho quá tr nh c y gh p được di n ra một cách thuận tiện và đảm bảo t nh n đ nh cơ h c đối với các khớp xương khác;

2- ó t nh tương th ch sinh h c cao đối với cơ thể so với các loại vật liệu c y gh p khác v d như th p không g và titan

3- V cơ t nh hệ vật liệu NiTi xốp có khả n ng phối hợp được độ b n cao (tránh được biến dạng phá hủy) độ cứng th p (tránh được phản ứng c ng cơ của cơ thể) và độ dai

va đập cao (tránh v khi cơ thể vận động);

4- Khi ở dạng xốp như các mô xương trong cơ thể con người các mô cơ có thể phát triển vào các lỗ xốp của miếng đệm đốt sống nhân tạo và tạo nên liên kết giữa miếng đệm đốt sống nhân tạo với xương

1.2 T v NiTi

1.2.1 T và NiTi

Kể từ khi phát hiện được hiệu ứng nhớ hình và siêu đàn h i, việc nghiên cứu vật liệu NiTi đ được triển khai rộng r i và thu h t được sự quan tâm r t lớn của các nhà khoa h c trên thế giới đặc biệt tr ng nh vực vật liệu y sinh do t nh tương th ch sinh h c tốt của nó Vật iệu NiTi đặc tuy có khả n ng iến dạng tốt (tính dẻo cao), khả n ng ph c h i hình dạng tốt độ b n cơ h c cao nhưng ại hạn chế ở khả n ng ứng d ng do mô đun đàn h i cao, không có t chức xốp (không thể ứng d ng àm mô xương thay thế, miếng đệm đốt sống nh n tạo, …)

Vật liệu siêu đàn h i NiTi xốp được ứng d ng muộn hơn so với vật iệu NiTi đặc

L n đ u tiên vật iệu NiTi xốp được chế tạo b ng phương pháp SHS tại Viện Khoa h c

C u tr c động h c v mô và Vật liệu (ISMAN) vào cuối những n m 98 ởi các nhà khoa iên Xô c ) do erzhanov đứng đ u Các nghiên cứu trong những n m g n đ y tập trung theo các hướng [3]:

- Nghiên cứu v các phương pháp chế tạo các t nh ch t của vật iệu NiTi xốp: t ng

độ xốp k ch thước ỗ xốp, tình trạng b mặt lỗ xốp, đặc biệt à t ệ ỗ xốp hở,… cho các ứng d ng trong nh vực vật iệu y sinh

- ng d ng của vật iệu NiTi xốp có và không x mặt) ao g m cả các nghiên cứu trong th nghiệm và cơ thể người để kh độc di truy n h c nuôi c y tế ào sự gh p

ại của xương sự phát triển các mô khi c y ghép

- Đánh giá các nghiên cứu sinh h c của vật iệu NiTi xốp trong ph ng th nghiệm và các ứng d ng trong thực tế

- ác nghiên cứu v sự thay đ i mặt phủ) của vật iệu NiTi xốp nh m tạo ra các mặt với mức độ giảm i th p ở mức ch p nhận được nh m tránh sự ngộ độc i do sự

ào m n trong quá tr nh àm việc

Ngày nay, các sản ph m vật iệu siêu đàn h i NiTi xốp đ được sản xu t dưới dạng thương mại với tên g i Actipore ứng d ng cho vật liệu thay thế trong nh vực y sinh như: miếng đệm đốt sống nhân tạo (đốt sống ưng và đốt sống c ), ứng d ng àm mô xương thay thế,…[3,10,68]

ác đ xu t nghiên cứu tiếp theo trong công nghệ chế tạo vật iệu NiTi xốp ứng d ng trong nh vực y sinh tập trung vào một số nh vực sau đ y [3]:

Th hấ k ch thước các ỗ xốp khó được khống chế một cách ch nh xác với công

nghệ tạo xốp hiện nay Đi u này sẽ g y khó kh n cho việc tạo thành các c a s nối i n giữa các ỗ xốp ếu các c a s quá hẹp ch ng sẽ hạn chế sự phát triển của các mô cơ m c vào trong xương ếu các c a s quá ớn vượt qua một giá tr nh t đ nh nào đó th khó có thể đi u ch nh được h nh dạng k ch thước hoặc khó đảm ảo được độ cứng độ n cho miếng đệm đốt sống nh n tạo

Th h sự thô ráp của mặt trong các ỗ xốp có thể tác động đến sự ám chặt vào

xương của các mô cơ và có thể được đi u khiển trong suốt quá tr nh chế tạo vật iệu ở thể xốp chẳng hạn ng ch t ph gia tạo xốp hoặc ng phối trộn t ệ hợp giữa các ột i

Ti an đ u

Th , t ệ ỗ xốp có thể t ng ên và các ỗ xốp có thể k o dài có thể được sắp

xếp thẳng hàng do đó vật iệu NiTi xốp ắt chước c u tr c của xương tốt hơn Đi u này có thể nhận được trong Ti xốp nhưng không phải trong vật iệu NiTi xốp trừ khi ch ng chảy liên t c dưới áp ực của hyđrô tạo nên ỗ xốp k o dài trong vật iệu NiTi xốp

Th gradient k ch thước h nh dạng t ệ và đ nh hướng của các ỗ xốp có thể

được thiết kế trong các mô xương thay thế àm n i ật các t nh ch t cơ h c của ch ng độ xốp ên trong th p) và các đặc t nh sinh h c độ xốp mặt ớn)

C ố , có thể sung thêm một số nguyên tố vào n n vật iệu NiTi chẳng hạn

u Zr hoặc V n đ này đ được nghiên cứu trong khối NiTi đặc để thay đ i nhiệt

độ và ứng su t chuyển iến pha nhưng chưa được nghiên cứu đối với vật iệu NiTi xốp và

ch ng có thể sẽ tạo ra nhi u cách tiếp cận hơn nữa để đi u ch nh các t nh ch t của vật iệu NiTi xốp

T N T V N

iện tại ở Việt am nhu c u thực v vật iệu y sinh đặc iệt hệ vật iệu siêu đàn h i iTi xốp) à r t lớn, song ch ng ta chưa chế tạo được hoàn toàn phải nhập kh u từ các nước phát triển h nh v vậy việc tiếp cận các hướng nghiên cứu mới nh m àm chủ công nghệ chế tạo vật liệu y sinh kể cả vật iệu siêu đàn h i hệ iTi xốp) à cực k quan tr ng Việc nghiên cứu công nghệ chế tạo hệ vật iệu iTi đặc iệt à iTi xốp đ được nhen nhóm ở Việt am trong thời gian g n đ y Đến nay, mới ch có một công tr nh khoa

h c đ công bố các kết quả nghiên cứu chính thức v công nghệ chế tạo vật liệu siêu đàn

h i NiTi xốp đó à áo cáo kết quả Đ tài p ộ 1-01-11 [1] ông tr nh này tập trung nghiên cứu các kết quả thực nghiệm chế tạo vật iệu siêu đàn h i iTi xốp ng phương pháp từ ột của i và Ti độ tinh khiết đạt 99 9 ): phản ứng nhiệt độ tao tự an truy n SHS) hợp kim hóa cơ h c (MA) và thiêu kết trong ch n không (VS) ác kết quả

cho th y phương pháp phản ứng S S kết hợp với hoạt hóa cơ h c hỗn hợp ột i-Ti à phương pháp tối ưu hơn cả để chế tạo vật iệu siêu đàn h i iTi xốp Sản ph m vật iệu nhận được có các t nh ch t ph hợp yêu c u chế tạo miếng đệm đốt sống nh n tạo hơn so với phương pháp hợp kim hóa cơ h c và phương pháp thiêu kết trong ch n không ặc d mới đạt được các kết quả ước đ u song các nghiên cứu v các thông số công nghệ trong phương pháp phản ứng S S chưa được àm r Đ y c ng ch nh à một trong những do

đ i h i phải triển khai nghiên cứu hoàn thiện việc chế tạo c ng như đánh giá một số t nh

ch t cơ h c của hệ vật iệu này

1.3 Y NiTi

- hả ơ h h h ớ ơ đ h ố Đi u này à vô

c ng c n thiết ếu cứng quá hoặc m m quá so với xương tại v tr gh p nối có thể g y nên

t n thương không mong muốn cho con người như: hiệu ứng ứng su t màng che nếu miếng đệm thay thế quá cứng thậm ch có thể chà xát g y t n thương cho ch nh người được gh p nối; có thể iến dạng do va đập khi con người hoạt động nếu quá m m ơn nữa độ dai

va đập và khả n ng đàn h i phải tốt độ nh n của miếng đệm nh n tạo phải đảm ảo tương

th ch với miếng đệm nguyên ản ức độ iến dạng của vật iệu yêu c u > trong đó khả n ng ph c h i iến dạng > ô đun đàn h i vật iệu trong khoảng a tương ứng với ph n xốp ên trong và trên ớp v vật iệu xương iới hạn n của vật iệu đạt trên 120MPa, giới hạn chảy đạt trên a hiệt độ chuyển pha actenxit – ustenit của vật iệu tương tự nhiệt độ trong cơ thể người khoảng 37C)

- ộ ố đ ê hả đ ớ h k h

h ớ ố hả ớ h họ  độ ố h ê đạ ê

5 đ đả ả hấ h ơ h ơ ạ h h đ ơn nữa

các công ố đ cho th y độ xốp và k ch thước ỗ xốp ảnh hưởng trực tiếp đến đến các t nh

ch t cơ h c của vật iệu [50,74]

1.4.1 C N T

hương pháp thiêu kết thông thường [15,36,59,62,64] và thiêu kết trong chân không [ ] thường được s d ng để chế tạo các vật iệu iTi xốp với độ xốp lớn (trên 85%) dựa trên cơ sở khuếch tán ở trạng thái rắn của các nguyên tố nhờ n ng ượng cao nhận được từ quá trình thiêu kết uá tr nh thiêu kết trong ch n không cho ph p tránh hoàn toàn hiện tượng ô xy hóa vật liệu, ảnh hưởng đến ch t ượng chung của sản ph m c ng như quá tr nh hình thành pha NiTi mong muốn

Tuy nhiên phương pháp thiêu kết thông thường và thiêu kết trong chân không yêu

c u thời gian thiêu kết r t dài (có thể đến 12h, tùy thuộc vào k ch thước hạt ột vật liệu Ni,

Ti an đ u) và nhiệt độ thiêu kết r t cao (khoảng > 1000 C) nh m tạo ra được pha NiTi cân b ng Để khống chế và đi u ch nh độ xốp t ệ độ xốp hở, kích thước lỗ xốp của vật liệu NiTi xốp chế tạo b ng các phương pháp này vật liệu ột an đ u thường được trộn với ch t tạo xốp d ay hơi [ 8]

Sơ đ quá tr nh chế tạo vật iệu siêu đàn h i iTi xốp ng các phương pháp này được thể hiện trên hình 1.5

ra, nguyên t của nguyên tố này sẽ khuếch tán vào mạng tinh thể của nguyên tố kia hình

ố

r

b

thành nên pha mới [25,61,72] Để nhận được vật liệu ở dạng khối thường phải kết hợp quá trình hợp kim hóa cơ h c với quá tr nh thiêu kết Mỗi hệ vật liệu khác nhau k ch thước vật liệu an đ u khác nhau, chế độ hợp kim hóa cơ h c khác nhau sẽ làm cho tốc độ khuếch tán khác nhau và do đó yêu c u v thời gian hợp kim hóa c ng khác nhau V vậy việc khảo sát quá trình hợp kim hóa c n thời gian tương đối dài với nhi u kết quả thí nghiệm

Để chế tạo vật iệu siêu đàn h i hệ i-Ti ng phương pháp hợp kim hóa cơ h c hỗn hợp bột Ni và Ti sau khi hợp kim hóa cơ h c trong một thời gian xác đ nh thường được thiêu kết để nhận được pha mong muốn ác nghiên cứu trước đ y cho th y khi k o dài thời gian hợp kim hóa thường nhận được t chức vô đ nh hình Ni-Ti (với các pha liên kim NiTi2, Ni4Ti3, Ni3Ti … ixTix–1) [1] Sau đó hỗn hợp vô đ nh hình này c n phải được kết tinh ở nhiệt độ nh t đ nh để nhận được các pha tinh thể Đ y c ng ch nh à quá tr nh thiêu kết nếu muốn nhận được vật iệu iTi ở dạng khối xốp Nhiệt độ kết tinh của vô đ nh hình

NixTix–1 không c n quá cao và thời gian không c n dài (nhiệt độ khoảng 973K và thời gian thiêu kết khoảng 5h) [1,61,72]

Sơ đ quá tr nh chế tạo vật liệu NiTi xốp b ng phương pháp hợp kim hóa cơ h c được thể hiện trên h nh

t

t i

ố ệ

ết

ố

ơ

b

cao t ệ ỗ xốp hở ớn uy tr nh công nghệ chế tạo vật iệu ng phương pháp này không

đ i h i các thiết th nghiệm đắt ti n và có thể thực hiện trong một thời gian ngắn do vậy chi ph chế tạo vật iệu giảm đáng kể Đ y c ng ch nh à một trong các công nghệ chủ yếu chế tạo vật iệu iTi xốp hiện nay

Sơ đ quá tr nh chế tạo vật iệu iTi xốp ng phương pháp S S được thể hiện như trên hình 1.6

Hình 1.6 Sơ đồ h h ạ NiTi xốp bằ h ơ h hản ng nhi độ cao tự

lan truy n

1.4.4 C N T plasma

Phương pháp thiêu kết xung p asma S S) c ng à một trong những giải pháp thường được s d ng để chế tạo vật iệu iTi xốp [16,48,74] hược điểm cơ ản của phương pháp này ch nh à đ i h i v thiết khá phức tạp đắt ti n mà trong đi u kiện thực tế Việt

am hiện nay r t khó để đáp ứng được nh t à trong sản xu t dưới dạng quy mô công nghiệp

Sơ đ quá tr nh chế tạo vật iệu siêu đàn h i iTi xốp ng phương pháp này được thể hiện trên h nh

1.4 C N T ó

hi s d ng phương pháp p nóng đẳng t nh - và ) [ ] vật iệu nhận được có các ưu điểm n i ật so các phương pháp khác ở một số kh a cạnh: các ỗ xốp chủ yếu ở dạng h nh c u do áp ực tác d ng từ các ph a như nhau trong suốt quá tr nh thiêu kết và sự ph n ố ỗ xốp k ch thước ỗ xốp tương đối đ ng đ u

ố

nh Sơ đồ h h ạ N T ố ằn h ơ h h ê k plasma [16].

Để khống chế độ xốp và k ch thước của ỗ xốp phương p nóng đẳng t nh thường được kết hợp việc s d ng ch t tạo xốp d ay hơi phối trộn vào hỗn hợp ột an đ u của các ch t phản ứng với t ệ và k ch thước nh t đ nh hi thực hiện quá tr nh thiêu kết, các

ch t tạo xốp sẽ ốc hơi để ại khoảng không gian ên trong vật iệu tạo thành các ỗ xốp

V vậy sản ph m vật iệu sau khi thiêu kết thường có độ xốp ớn t ệ ỗ xốp hở cao và

k ch thước ỗ xốp có thể được đi u khiển ph hợp với yêu c u đặt ra

Sơ đ chung quá tr nh chế tạo vật iệu iTi xốp ng phương pháp p nóng đẳng t nh được thể hiện như trên h nh 8 [61] Đ u tiên hỗn hợp ột i và Ti được trộn với nhau có thể hoạt hóa cơ h c hoặc không hoạt hóa trước hỗn hợp ột) sau đó ch ng được n n vào khuôn và khuôn được n ng nhiệt đến nhiệt độ thiêu kết giai đoạn - ) uối giai đoạn hỗn hợp ột thiêu kết p đ ng đ u với một áp ực ngày càng t ng cho đến khi đạt được

t chức hoàn toàn pha iTi c n ng mong muốn o áp ực p đ ng đ u ở t t cả các ph a

ên m u vật iệu nên vật iệu nhận được thường có ỗ xốp dạng c u giai đoạn )

hược điểm cơ ản của phương pháp p nóng đẳng t nh à khó thực hiện trong đi u kiện thực nghiệm và chế tạo ở Việt am do sự hạn chế của các thiết công nghệ ên cạnh đó k ch thước ỗ xốp của sản ph m vật iệu được chế tạo ng phương pháp này thường không ớn do uôn t n tại áp ực p trong quá tr nh thiêu kết ở trạng thái nóng V vậy để nhận được sản ph m vật iệu iTi có độ xốp cao ng phương pháp p nóng đẳng

t nh thường r t khó kh n

nh Sơ đồ h h ạ NiTi ố ằ h ơ h đ h

1.4.6 L NiTi V N

Hình 1.9 ấ sơ đồ công ngh h ạ NiTi xốp bằ h ơ h k h SHS – MA

đ k h h N

Qua các kết quả t ng hợp, ph n t ch và đánh giá trên cho th y s d ng phương pháp phản ứng S S chế tạo vật iệu iTi xốp sẽ cho nhi u thuận ợi hơn cả đặc iệt à các vật iệu xốp với m c tiêu ứng d ng trong nh vực y sinh Tuy nhiên các nghiên cứu trước đ y

đ cho th y hệ phản ứng giữa i và Ti t a nhiệt yếu V vậy c n phải m i a k ch hoạt phản ứng S S ở nhiệt độ nung sơ ộ tương đối cao Với đi u kiện thực nghiệm trong nước để ựa ch n được các thiết ph hợp cho phương pháp này th việc giảm nhiệt độ nung sơ ộ à yêu c u c n thiết o đó trong sơ đ này thay v ch trộn đ ng đ u hóa thành ph n như các công ố trước đ y hỗn hợp bột i – Ti nguyên ch t sẽ được hoạt hóa

cơ h c trước khi tiến hành quá tr nh p đóng ánh h nh 9) ua nghiên cứu c ng cho

th y với một số vật iệu được hoạt hóa cơ h c trước khi chế tạo nhiệt độ c n thiết để phản ứng xảy ra giảm đáng kể khi t ng thời gian hoạt hóa cơ h c [ ] ên cạnh đó c n cứ vào giản đ trạng thái hệ i – Ti h nh ) để giữ n đ nh thành ph n pha sau khi phản ứng

S S xảy ra sản ph m vật iệu iTi sẽ được àm nguội nhanh trong nước

1.5 K

1 iện nay trên thế giới t n tại ba hệ vật liệu siêu đàn h i chủ yếu g m: vật liệu siêu đàn h i n n đ ng, vật liệu siêu đàn h i n n sắt, vật liệu siêu đàn h i NiTi và n n NiTi iTi à hệ vật liệu siêu đàn h i được s d ng ph biến nh t hiện nay chủ yếu trong nh vực vật iệu y sinh với dạng: iTi xốp và iTi đặc Cho đến nay ở Việt Nam có r t t công tr nh công bố các kết quả nghiên cứu ch nh thức v vật liệu siêu đàn h i NiTi xốp trong khi đó nhu c u vật iệu này r t ớn Vì vậy, việc chủ động nghiên cứu chế tạo vật liệu siêu đàn NiTi xốp c ng như đánh giá các t nh ch t cơ h c của ch ng với m c tiêu ứng

d ng trong nh vực y sinh là r t c n thiết

Để ứng d ng àm vật iệu y sinh chế tạo các miếng đệm đốt sống nh n tạo ngoài yêu c u tương th ch sinh h c với cơ thể người vật iệu siêu đàn h i NiTi xốp c n đảm ảo các yêu c u: mức độ iến dạng > trong đó khả n ng ph c h i iến dạng > 2%; mô đun đàn h i trong khoảng a tương ứng với ph n xốp ên trong và trên ớp v vật iệu xương; giới hạn n của vật iệu đạt > a hiệt độ chuyển iến pha actenxit – ustenit của vật iệu tương tự nhiệt độ cơ thể người khoảng C) Độ xốp của vật iệu NiTi yêu c u phải đủ ớn thường > ) k ch thước ỗ xốp c ng c n phải ớn thường

ch n > m) và t ệ ỗ xốp hở yêu c u đạt trên để đảm ảo ch t d ch cơ thể cơ và mạch máu … có thể truy n qua được

3 h n t ch v các phương pháp chế tạo vật iệu siêu đàn h i NiTi xốp cho th y phương pháp phản ứng SHS kết hợp với hoạt hóa cơ h c có nhi u ưu điểm n i ật hơn

cả và ph hợp với các yêu c u c n thiết đối với vật iệu y sinh o đó phương pháp S S –

MA đ được ựa ch n để chế tạo vật iệu siêu đàn h i NiTi xốp Từ đó uận án đ đ xu t

sơ đ công nghệ chế tạo vật iệu NiTi xốp ng phương pháp S S – MA

CHƯƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT BIẾN DẠNG VÀ CHẾ

TẠO VẬT LIỆU SIÊU ĐÀN HỒI N T

2.1 L y

Vật liệu siêu đàn h i à một dạng vật liệu nhớ h nh ưới tác d ng của tải tr ng cơ

h c, vật liệu siêu đàn h i có thể ph c h i biến dạng với mức độ lớn đến 10%, nhờ sự tạo thành pha do tác d ng của ứng su t Không giống như vật liệu nhớ h nh vật iệu siêu đàn

h i có khả n ng ph c h i iến dạng ở một nhiệt độ nh t đ nh Đường cong ứng su t – biến dạng iểu di n khả n ng siêu đàn h i ở nhiệt độ T =  được thể hiện trên h nh [57]

nh ng cong ng suất – bi n dạng c a v t li s ê đ hồi [57]

sự biến dạng của mạng tinh thể, đó ch nh à quá tr nh chuyển biến pha Mỗi tinh thể Mactenxit khi được tạo thành có thể có sự đ nh hướng khác nhau, sự đ nh hướng đó được

g i là biến thể Sự sắp xếp của các biến thể có thể xu t hiện hai dạng c u tr c Mactenxit:

(1) song tinh Mactenxit (M t) được tạo thành bởi sự tự đi u ch nh của các biến thể

Mactenxit; và (2) song tinh iến dạng hoặc sự sắp xếp lại Mactenxit (M d) trong đó có một biến thể nh t đ nh chiếm ưu thế Sự chuyển biến pha thuận từ pha có c u tr c Austenit (pha

gốc) sang pha có c u tr c Mactenxit (pha sản ph m) và ngược lại tạo nên cơ sở cho ứng x siêu đàn h i Đ y à ứng x ch có duy nh t ở các h vật iệu nhớ h nh trong đó có hệ vật liệu siêu đàn h i

nh Pha NiTi ấ Austenit B2 và pha NiTi ấ Mactenxit B 9’ trong các v t li u

di n các c u trúc tinh thể song tinh Mactenxit và Austenit của hệ vật iệu siêu đàn h i thể hiện t nh ch t nhớ hình và sự chuyển biến giữa ch ng được thể hiện trên h nh [27] Liên quan đến quá tr nh chuyển biến thuận ngh ch của pha c u tr c Mactenxit  pha

c u tr c Austenit có bốn điểm nhiệt độ quan tr ng Trong quá tr nh chuyển biến thuận, pha

c u tr c Austenit ở trạng thái không tải sẽ chuyển biến thành song tinh Mactenxit ở nhiệt

độ bắt đ u Mactenxit (M s) và chuyển biến thành Mactenxit hoàn toàn ở nhiệt độ kết thúc

Mactenxit (M f) Với quá tr nh này, sự chuyển biến là hoàn toàn và vật liệu nhận được hoàn toàn à pha song tinh Mactenxit Tương tự, khi nung nóng vật iệu quá tr nh chuyển biến

ngược bắt đ u ở nhiệt độ bắt đ u Austenit (A s) và hoàn toàn chuyển biến ở nhiệt độ kết

trong đó h nh dạng sau iến dạng được giữ nguyên khi d tải hi nung nóng vật iệu ở

nhiệt độ trên A f sẽ d n đến quá tr nh chuyển biến pha ngược (từ song tinh Mactenxit iến dạng tạo thành Austenit) và hình dạng an đ u của vật iệu trước khi iến dạng sẽ được h i

ph c lại hoàn toàn (hình 2.4 [27]) Khi làm nguội xuống th p hơn nhiệt độ M f sẽ ại d n đến sự tạo thành của song tinh actenxit và do đó d n đến sự thay đ i hình dạng v mô của vật iệu uá tr nh được miêu tả ở trên chính là hiệu ứng nhớ hình của các vật liệu có tính ch t nhớ h nh và siêu đàn h i

nh B hi u ng nhớ hình c a v t li s ê đ hồ h h h ạ s

tinh Ma kh hấ ả [27]

Tải tr ng cơ h c tác d ng ên vật iệu siêu đàn h i phải đủ lớn để iến dạng song tinh

Mactenxit, tương ứng với ứng su t tối thiểu c n thiết bắt đ u biến dạng song tinh σ s Các mức tải tr ng đủ lớn sẽ g y nên iến dạng song tinh Mactenxit hoàn toàn các mức độ ứng

su t tương ứng này được g i là ứng su t kết thúc iến dạng song tinh σ f Tải tr ng cơ h c

lớn hơn σ s tác d ng ên pha c u tr c Austenit, chuyển biến pha khi àm nguội tạo thành song tinh actenxit iến dạng trực tiếp do đó sẽ g y ra sự thay đ i hình dạng v mô của vật iệu Tương tự như vậy quá tr nh nung nóng sẽ h i ph c h nh dạng an đ u uá tr nh

chuyển iến pha thuận ngh ch xảy ra trên khắp phạm vi các nhiệt độ chuyển iến từ M s đến M f , từ A s đến A f) đối với vật liệu siêu đàn h i o đó ch ng ta có thể xây dựng được các vùng chuyển biến trong không gian ứng su t – nhiệt độ (hình 2.5 [27])

nh B hi u ng nhớ hình c a v t li s ê đ hồ kh kh ả [27]

nh Nhi độ chuy n bi h kh ả [27]

Các nhiệt độ chuyển biến pha c ng ph thuộc vào độ lớn của tải tr ng tác d ng Tải

tr ng tác d ng càng ớn th nhiệt độ chuyển biến pha càng cao h nh v vậy các v ng

nhiệt độ chuyển biến tương ứng với các chuyển biến M d  A và A  M d có hệ số góc

dương trong không gian ứng su t – nhiệt độ Nhiệt độ chuyển biến pha t ng ên khi độ lớn của tải tr ng t ng mà không ph thuộc vào bản ch t tải tr ng tác d ng (có thể xoắn k o

hoặc n n) ưới tác d ng của tải tr ng k o đơn tương ứng với ứng su t σ, các nhiệt độ

chuyển biến mới được biểu di n bởi các giá tr Mf , Ms , Af và A stương ứng à các

nhiệt độ: kết thúc Mactenxit, bắt đ u Mactenxit, kết thúc Austenit và bắt đ u Austenit ng

su t σ à độ lớn của trạng thái ứng su t đơn hoặc một đại ượng vô hướng thích hợp thay

thế cho trạng thái ứng su t phức tạp h nh )

nh hấ ả h s ê đ hồi [27]

Bên cạnh nhiệt độ, tải tr ng cơ h c đủ lớn tác d ng ên vật liệu ở trạng thái Austenit

c ng có thể g y nên quá tr nh chuyển pha Tải tr ng này g y nên sự h nh thành trực tiếp

song tinh Mactenxit iến dạng từ Austenit Nếu nhiệt độ của vật liệu cao hơn nhiệt độ A f,

h nh dạng của vật iệu có thể được h i ph c hoàn toàn khi d tải ở trạng thái Austenit ng

x đặc iệt này ch nh à hiệu ứng siêu đàn h i của các vật liệu siêu đàn h i hoặc vật iệu nhớ h nh Đường ch t tải của hiệu ứng siêu đàn h i như được giải th ch trên được thể hiện trên hình 2.6 [27]

hi ch t tải sự thay đ i hình dạng v mô của vật iệu được thể hiện qua iểu đ ứng

su t – biến dạng (hình 2.7 [27]) Các ứng su t bắt đ u và kết thúc chuyển biến Mactenxit

từ ustenit được biểu di n tương ứng bởi giá tr Ms và Mf Tương tự như vậy, khi d tải, các mức độ ứng su t tại đó vật liệu bắt đ u và kết thúc quá trình chuyển biến ngược tạo

thành Austenit từ actenxit được biểu th tương ứng bởi các giá tr As và Af Vậy nên

nếu vật liệu được iến dạng ở trạng thái Austenit tại nhiệt độ cao hơn nhiệt độ M f nhưng

th p hơn nhiệt độ A f, khi d tải nó ch h i ph c được một ph n hình dạng

nh Bi đồ ng suất – bi n dạ s ê đ hồi [27]

H

Vật liệu siêu đàn h i c ng thể hiện hiệu ứng nhớ hình khi được biến dạng ở pha song

tinh Mactenxit và sau đó được d tải ở nhiệt độ th p hơn nhiệt độ A s Tiếp theo, khi vật

iệu được nung đến nhiệt độ cao hơn A f, chúng sẽ ph c h i lại hình dạng an đ u thông qua

sự chuyển biến pha ngược từ pha sản ph m actenxit v pha gốc Austenit) Bản ch t của hiệu ứng nhớ h nh được thể hiện qua đường ch t tải nhiệt hóa h c trong không gian ứng

su t – biến dạng – nhiệt độ (hình 2.8 [27]) Từ pha gốc Austenit điểm A trên hình 2.8), khi

vật iệu được làm nguội tự do dưới các nhiệt độ chuyển biến thuận (M s và M f), ứng su t tạo

thành pha song tinh Mactenxit điểm B) Khi tác d ng lên song tinh Mactenxit ứng su t ớn hơn ứng su t an đ u (σ s) sẽ bắt đ u quá tr nh đ nh hướng lại và do đó d n đến sự lớn lên của các biến thể Mactenxit iá tr ứng su t c n thiết cho sự đ nh hướng lại các biến thể Mactenxit nh hơn nhi u so với giới hạn chảy dẻo cố đ nh của Mactenxit

Quá trình iến dạng hoàn toàn song tinh Mactenxit đạt được khi ứng su t đạt giá tr

σ f – điểm cuối của trạng thái n đ nh trên giản đ σ – ε h nh 8) Khi được d tải m m

dẻo từ điểm C v điểm D, trạng thái song tinh Mactenxit iến dạng của vật iệu sẽ được giữ