b) Nhóm thứ hai các mô hình động lực học
2.1 Hợp kim nhớ hình (SMA)
SMA là một dạng vật liệu nhớ hình độc đáo với khả năng phục hồi lại hình dạng gốc khi tăng nhiệt độ, nhờ vậy tạo ra một năng lượng phát động lớn [88]. Thêm vào đó, trong các điều kiện đặc biệt, SMA có thể hấp thụ và phát tán năng lượng thông qua quá trình biến đổi hình dạng thuận nghịch dưới tác dụng của kích thích tuần hoàn. Do đặc tính độc đáo này, SMA được nghiên cứu tích hợp vào các thiết bị cảm biến, phát động, hấp thụ va chạm và giảm rung động. Ngày nay, SMA được ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực công nghiệp như hàng không, ôtô, y sinh, máy móc...
Sự phát hiện ra Martensite trong thép bởi Adolf Martens từ thập niên 1890 đã làm tiền đề cho sự phát triển SMA sau này. Những năm sau đó hiện tượng biến đổi Martensite được nghiên cứu rộng rãi và đến năm 1949, Kurdjumov và Khandros [89] đã xây dựng khái niệm về sự chuyển biến Martensite đàn nhiệt. Tuy nhiên, sự khám phá hợp kim NiTi cũng như các đặc tính cơ học vượt trội so với kim loại thông thường vào năm 1963 bởi Buehler và các cộng sự [90] mới thực sự thu hút sự quan tâm của các nhà khoa học. Thuật ngữ “NiTiNOL” cũng được đặt tên cho hợp kim NiTi từ đó để ghi nhận sự ra đời tại Naval Ordnance Laboratory (NOL). Ngày này, SMA được
Hình 2.1 Sự chuyển pha gây ra bởi nhiệt độ của SMA.
biết đến với một số dạng phổ biến như Cu–AL–Ni, Ni–Ti, Fe–Mn–Si, Cu–Zn–Al… Mặc dù hợp kim Ni–Ti đắt tiền nhưng lại được ưa chuộng hơn do độ ổn định, khả năng ứng dụng và biểu hiện cơ nhiệt vượt trội.
Thông thường, SMA sở hữu hai pha với cấu trúc tinh thể và đặc tính khác nhau pha Austenite A cấu trúc lập phương ở nhiệt độ cao và pha Martensite M cấu trúc tứ giác, trực giao hoặc ba trục không đều ở nhiệt độ thấp [88]. Mỗi tinh thể Martensite có thể có một biến thể định hướng khác. Sự kết hợp các biến thể Martensite có thể hình thành hai dạng Twinned Martensite của các biến thể tự điều chỉnh, và
Detwinned Martensite của các biến thể đặc biệt tái định hướng. Hình 2.1 mô tả cấu trúc tinh thể và sự chuyển pha gây ra bởi nhiệt độ giữa Twinned Martensite và Austenite. Có 4 điểm nhiệt độ đặc tính liên quan đến quá trình chuyển pha của SMA. Trong quá trình chuyển pha thuận, Austenite bắt đầu chuyển sang Twinned
Martensite ở nhiệt độ bắt đầu Martensite (Ms) và kết thúc chuyển pha ở nhiệt độ kết
thúc Martensite (Mf). Tương tự, trong quá trình đốt nóng, sự chuyển pha nghịch khởi đầu ở nhiệt độ bắt đầu Austenite (As) và hoàn tất ở nhiệt độ kết thúc Austenite (Af).