Titaanisulami ülielastsust mõjutavad tegurid ja meetodid

Ti-Ni sulami maksimaalne taastumistüve (εr) võib ulatuda 8.0%, mis näitab suurepärast kujumäluefekti ja ülielastsust ning seda kasutatakse laialdaselt luuplaatide, veresoonte karkasside ja ortodontiliste raamidena. Kuid kui Ti-Ni sulam implanteeritakse inimkehasse, võib see vabastada Ni+, mis on sensibiliseeriv ja kantserogeenne, põhjustades tõsiseid terviseprobleeme. Titaanisulamil on hea biosobivus, korrosioonikindlus ja madal elastsusmoodul ning see võib pärast mõistlikku kuumtöötlust paremini sobitada tugevust ja plastilisust, see on omamoodi metallmaterjal, mida saab kasutada kõvade kudede asendamiseks. Samal ajal eksisteerib mõnes titaanisulamis pöörduv termoelastne martensiitne transformatsioon, millel on teatud superelastsed ja kujumäluefektid, mis laiendab veelgi selle rakendust biomeditsiini valdkonnas. Mittetoksilistest elementidest koosneva ja suure elastsusega titaanisulami väljatöötamine on viimastel aastatel muutunud meditsiinilise titaanisulami uurimistööks.
Praeguseks on välja töötatud palju toatemperatuuril ülielastsuse ja kujumäluefektiga titaanisulameid, näiteks Ti-Mo, Ti-Ta, Ti-Zr ja Ti-Nb sulamid. Nende sulamite superelastne taastumine on aga väike, näiteks Ti-(26, 27)Nb maksimaalne εr (26 ja 27 on aatomifraktsioonid, kui pole spetsiaalselt märgitud, on selles paberis osalevad titaanisulami komponendid aatomfraktsioonid) on vaid 3.{11}}%, palju madalam kui Ti-Ni sulamil. Titaanisulami superelastsuse edasine parandamine on kiireloomuline lahendamist vajav probleem. Käesolevas töös analüüsitakse titaanisulami superelastsust mõjutavaid tegureid ning võetakse süstemaatiliselt kokku superelastsuse parandamise meetodid.
Superelastsus 1.1 1 titaanisulamite pöörduv pingest põhjustatud martensiitne muundumine
Titaanisulamite ülielastsus on tavaliselt põhjustatud pöörduvast pingest põhjustatud martensiitsest transformatsioonist, st kehakeskse kuupvõre struktuuri faas muundub deformatsiooni koormamisel rombvõre struktuuri "faasiks". "faas muutub faasiks ja tüvi taastub. Superelastses titaanisulamis nimetatakse kehakeskse kuubikujulise struktuuri faasi "austeniidiks" ja rombikujulise struktuuri faasi "martensiidiks". Martensiitse faasisiirde algustemperatuur, martensiitse faasisiirde lõpptemperatuur, austeniidi faasisiirde algustemperatuur ja austeniidi faasisiirde lõpptemperatuur on väljendatud Ms, Mf, As ja Af ning Af on tavaliselt mitu kelvinit kümneni. Pingest põhjustatud martensiitsete muundumisega titaanisulami laadimis- ja mahalaadimisprotsess on näidatud joonisel 1. Kõigepealt toimub faasi elastne deformatsioon, mis koormuse saavutamisel muundub faasiks nihkekujuline martensiitse faasisiirde esilekutsumiseks vajalik kriitiline pinge (σSIM). Koormuse suurenemisel martensiitse faasisiire ( → ") jätkub, kuni saavutatakse martensiitse faasisiirde lõpuks (või lõpuks) vajalik pinge ja seejärel toimub faasi elastne deformatsioon. Kui koormus suureneb veelgi üle faasilibisemiseks vajaliku kriitilise pinge (σCSS), toimub faasi plastiline deformatsioon. Mahalaadimisel põhjustab lisaks faasi ja faasi elastsele taastumisele ka faasisiire pinge taastumist. Sulami superelastne ehk kujumäluefekt sõltub faasisiirdetemperatuuri ja katsetemperatuuri vahelisest seosest. Kui Af on katsetemperatuurist veidi madalam, toimub laadimise ajal pingest põhjustatud faas → mahalaadimise ajal faasiüleminek ja pingest põhjustatud faasisiiretele vastav deformatsioon võib täielikult taastuda ja sulam ilmutab ülielastsust. Kui katsetemperatuur on As ja Af vahel, muundatakse osa faasist mahalaadimise ajal faasiks ja pingest põhjustatud faasisiirele vastav deformatsioon taastub ning sulamil on teatav superelastsus. Kui sulamit kuumutatakse täiendavalt üle Af, muundatakse ülejäänud "faas faasiks, faasisiirde deformatsioon taastub täielikult ja sulam avaldab teatud kujumäluefekti. Kui katsetemperatuur on madalam kui As, toimub pingest põhjustatud martensiitsene muundumine deformatsioon ei taastu katsetemperatuuril automaatselt ja sulamil puudub ülielastsus. Kui aga sulamit kuumutatakse üle Af, taastub faasimuutuse deformatsioon täielikult ja sulamil on kujumäluefekt.