Nghiên cứu chế tạo vật liệu siêu đàn hồi hệ niti

...

----------

– 2014


----------

Chuyên n
62520309

TS.

– 2014


i

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


ii

LỜI CẢM ƠN
Tác giả uận án xin ch n thành cảm ơn các Th y giáo, ô giáo ộ môn
iệu và

án kim oại, Viện

hoa h c và

ơ h c vật

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 q trình h c tập và hồn thành uận

án
Để có được kết quả nghiên cứu này, ngoài sự cố gắng và nỗ lực của bản thân, tác giả
xin t

ng iết ơn s u sắc nh t đến các Th y giáo hướng d n khoa h c:

ng, TS

S TS Tr n V n

guy n Đặng Thủy – ộ môn ơ h c vật iệu và án kim oại đ tận t nh đ nh

hướng, hướng d n và tạo đi u kiện tốt nh t gi p đ tác giả trong suốt thời gian h c tập và
hoàn thành uận án
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


iii

MỤC LỤC
Đ

................................................................................................................... i
........................................................................................................................ ii

............................................................................................................................ iii
UV

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
T

U

V T

U S U Đ

iTi V

................................................................................................................... 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
hế tạo vật iệu

iTi xốp

ng phương pháp hợp kim hóa cơ h c............. 13
ng phương pháp phản ứng nhiệt độ cao tự lan

truy n ..................................................................................................................... 14


iv
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

US UĐ

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

2.3.3. nh hưởng của độ xốp ................................................................................ 30
nh hưởng của x
ơ sở

nhiệt .......................................................................... 30

thuyết phương pháp S S chế tạo vật iệu ............................................ 31
iới thiệu chung v phương pháp S S ....................................................... 31

2.3.2. 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


v
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 ượng kế 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

US UĐ

iTi X

........... 67

Vật iệu an đ u .................................................................................................. 67
ột i và Ti an đ u ................................................................................... 67
4.1.2. Tính tốn 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
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


vi
Đ
T

T

T

T

V T

U iTi X

V S

................................................................................................ 93

ác t nh ch t cơ h c của vật iệu iTi xốp chế tạo

ng phương pháp S S – 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
ác t nh ch t cơ h c của vật iệu
–

có x

iTi xốp chế tạo

ng phương pháp S S

nhiệt .............................................................................................. 97

Đánh giá khả n ng siêu đàn h i của vật liệu NiTi xốp chế tạo b ng phương pháp
SHS – MA ................................................................................................................ 101
5.2.1. Kết quả ph n t ch thành ph n pha ............................................................. 101
ết quả ph n t ch nhiệt ượng kế 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 m u phôi miếng đệm đốt ưng nh n tạo từ vật iệu

chế tạo

iTi xốp

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 m u phôi 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

B

U

............................. 132

.......................................................................................................................... 133


vii

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)
ợp kim hóa cơ h c

MA:

echanica

oying)

Thiêu kết ch n không Vacuum Sintering)

VS:

SMAs: Vật iệu nhớ h nh Shape Memory Alloys)
Đông đặc nhanh

RS:

apid So idification)

p nóng đẳng t nh d ng khn ao (Hot Isostatic Pressing)

HIP:

CF-HIP: p nóng đẳng t nh khơng khn bao (Capsule Free-Hot Isostatic Pressing)
CS:

Thiêu kết thông thường Conventional Sintering)

SPS:

Thiêu kết xung p asma Spark Plasma Sintering)
actenxit g y nên ởi ứng su t (Stress-Induced Mactenxit)

SIM:

hản ứng ở trạng thái rắn Solid State Reaction)

SSR:

Đ c án

MIM:

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

XRD:

iản đ nhi u xạ ơn-ghen (X-ray Diffraction)

DSC:

h n t ch nhiệt ượng kế vi sai (Differential Scanning Calorimetry)

Đ

ectron

: Đại h c Bách Khoa

PTN:

Phịng thí nghiệm

2. C

A:

Pha Austenit

M:

Pha Mactenxit

B2:
9’:

iểu mạng ập phương
iểu mạng đơn nghiêng một 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

icrocopy)


viii
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

M s :

hiệt độ ắt đ u chuyển iến

actenxit khi có tải tr ng tác d ng)

M f :

hiệt độ kết th c chuyển iến

actenxit khi có tải tr ng tác d ng)

A s :

hiệt độ ắt đ u chuyển iến ustenit khi có tải tr ng tác d ng)

A f :

hiệt độ kết th c chuyển iến ustenit khi có tải tr ng tác d ng)

Ms:

ng su t ắt đ u chuyển iến

actenxit ở nhiệt độ xác đ nh)

Mf:

ng su t kết th c chuyển iến

actenxit ở nhiệt độ xác đ nh)

As:

ng su t ắt đ u chuyển iến ustenit ở nhiệt độ xác đ nh)

Af:

ng su t kết th c chuyển iến ustenit ở nhiệt độ xác đ nh)

T:

hiệt độ t a ra của phản ứng

Tc:

hiệt độ cháy

Tig:

hiệt độ m i

T0:

hiệt độ môi trường

Tp:

hiệt độ nung sơ ộ

Tad:

hiệt độ đoạn nhiệt

a k ch hoạt phản ứng

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

:

Độ xốp

chảy

ng


ix

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 khơng song song................... 118

ch thước các miếng đệm

. ..................................................................... 118


x

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, ĐỜ THỊ

Hình 1.1. Tháp chng 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 thơng

thường và thiêu kết chân khơng........................................................................................... 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

S S–

iTi xốp b ng phương pháp kết hợp

trong đi u kiện th nghiệm Việt am ................................................................ 17
.1. 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
H

actenxit khi ch t tải .................................................................................. 21

iểu di n hiệu ứng nhớ hình của vật liệu siêu đàn h i khi nung nóng khơng 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


xi
ác đường cong ứng su t – iến dạng n n) của vật iệu siêu đàn h i
chế tạo

ng a phương pháp khác nhau các m u th n n hóa già ở nhiệt độ

iTi xốp
 trong

, h sau àm nguội trong nước đá). ..................................................................................... 29
Đường cong ứng su t – iến dạng n n) của vật iệu siêu đàn h i
tạo

ng phương pháp

-

iTi xốp chế

và phương pháp S với các độ xốp khác nhau các m u hóa

 trong , h r i àm nguội trong nước đá). .......................................... 30

già ở nhiệt độ

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.

ơ 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 khơng có chuyển pha. ............................................................................. 35

ối quan hệ Δ
một số hợp ch t

98) ∑njCp(Pj) 98) – nhiệt độ đoạn nhiệt Tad) khi t ng hợp

ng phương pháp S S. ........................................................................... 37

nh hưởng của k ch thước hạt ột
tạo vật iệu iTi

i đến tốc độ di chuyển mặt cháy khi chế

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
iản đ nhi u xạ ơn-ghen m u vật iệu iTi chế tạo

ng phương pháp S S.

............................................................................................................................................. 44
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 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 SHS. ........................ 47

nh hưởng của t tr ng đóng ánh đến nhiệt độ m i
SHS khi chế tạo vật liệu compoz t
Hình 2.27.

g–Al2O3. ................................................................... 47

ối quan hệ của nhiệt độ cháy và thời gian m i

tương đối trong quá tr nh chế tạo iên kim Ti
Hình 2.28. Đ th

a k ch hoạt phản ứng

a với t tr ng đóng ánh

ng phương pháp phản ứng S S........... 48

iểu th mối quan hệ entanpy – nhiệt độ của vật iệu iTi. ................... 49

xii
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.
m i

nh hưởng của thời gian hoạt hóa cơ h c tMA đến nhiệt độ cháy Tc và nhiệt độ

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 iTi

xốp ...................................................................................................................................... 59

Thiết

ph n t ch nhiệt ượng kế vi sai S

n điện t Scientech với độ ch nh xác

–4

ett er To edo............................. 60
g. ................................................... 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 100KN. .................................................................................... 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. iản đ nhi u xạ ơn-ghen 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 iTi an đ u khơng được hoạt hóa cơ h c). ........................................................................... 72


xiii
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 khơng được hoạt hóa cơ h c).
............................................................................................................................................. 73
Hình 4.8.

iản đ nhi u xạ

ơn-ghen m u th nghiệm sau khi m i l a ở nhiệt độ Tp =

550C (bột ch được trộn) .................................................................................................... 74
Hình 4.9.

iản đ nhi u xạ

ơn-ghen m u th nghiệm sau khi m i l a ở nhiệt độ Tp =

550C (bột được hoạt hóa cơ h c , h) ............................................................................... 75
Hình 4.10.

iản đ nhi u xạ ơn-ghen của m u vật iệu

iTi chế tạo

ng phương pháp

SHS ở nhiệt độ nung sơ ộ Tp = 600C (hỗn hợp bột khơng 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. iản đ nhi u xạ ơn-ghen vật iệu iTi xốp chế tạo

ng phương pháp S S ở

nhiệt độ nung sơ ộ Tp = (250 ÷ 600)C (hỗn hợp bột Ni-Ti được hoạt hóa cơ h c tMA 
1,5h). .................................................................................................................................... 81
Hình 4.17.

iản đ nhi u xạ

ơn-ghen 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 Ni-Ti được hoạt hóa cơ
h c tMA  1,5h). ................................................................................................................... 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


xiv
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 bộ 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.

ơ h nh q tr nh tự lan truy n phản ứng khi chế tạo vật iệu

iTi xốp từ hỗn

hợp bột Ni-Ti b ng phương pháp S S ............................................................................... 91
Hình 5.1. Đường cong ứng su t – biến dạng m u vật iệu

iTi độ xốp

chưa x

nhiệt) ................................................................................................................................... 94
Hình 5.2. Đường cong ứng su t – biến dạng m u vật iệu

iTi độ xốp

chưa x

nhiệt) ................................................................................................................................... 94
Hình 5.3. Đường cong ứng su t – biến dạng m u vật iệu

iTi độ xốp

chưa x

nhiệt) ................................................................................................................................... 95
Hình 5.4. Đường cong ứng su t – biến dạng m u vật iệu

iTi độ xốp

chưa x

nhiệt) ................................................................................................................................... 95
nh ch p các m u vật iệu iTi xốp sau khi th n n chưa x
6.

nh S

mặt g y m u vật iệu

iTi xốp sau khi n n

nhiệt) .......... 96

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


xv
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
nh ch p các m u vật iệu siêu đàn h i

3.

iTi xốp được x

nhiệt sau khi th

n n .................................................................................................................................... 101
Hình 5.14. Chuyển biến thuận từ Austenit  Mactenxit của vật liệu siêu đàn h i n n iTi.
........................................................................................................................................... 102
iản đ nhi u xạ

Hình 5.15.

ơn-ghen sản ph m vật iệu

iTi xốp sau khi biến dạng

3,5%. .................................................................................................................................. 103
iản đ nhi u xạ ơn-ghen sản ph m vật iệu

Hình 5.16.

iTi xốp sau khi b biến dạng

phá hủy. ............................................................................................................................. 103
Hình 5.17. ết quả ph n t ch nhiệt ượng kế vi sai sản ph m vật iệu siêu đàn h i iTi xốp
được chế tạo

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
nhiệt) sau khi x

chưa x

kết quả .............................................................................................. 106

Hình 5.19. Đường cong ứng su t – biến dạng m u vật iệu
nhiệt) sau khi x

iTi độ xốp
iTi độ xốp

chưa 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
xốp do đ tài uận án thực hiện với các công tr nh đ công ố

iTi

iến dạng ở nhiệt độ môi

trường) .............................................................................................................................. 113
So sánh đường cong ứng su t – iến dạng của m u vật iệu
thực hiện với các công tr nh đ công ố khi n n phá hủy m u

iTi xốp do đ tài

iến dạng ở nhiệt độ môi

trường) .............................................................................................................................. 114


xvi
Hình 5.26. So sánh đường cong ứng su t – iến dạng của m u vật iệu
ng các phương pháp khác nhau: a phương pháp S kết hợp ch t d
pháp S S–

do đ tài thực hiện; c phương pháp

iTi xốp chế tạo
ay hơi;

phương

................................................ 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 phôi m u 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 phôi m u miếng đệm đốt sống nh n tạo sau khi cắt trên máy cắt d y
........................................................................................................................................... 121
nh dạng phôi m u miếng đệm đốt sống nh n tạo do đ tài uận án chế tạo th
nghiệm sau khi gia công tinh ch nh .................................................................................. 122


1

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 hay giả 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
phân loại van tim nhân tạo [52]…
iệu

b ng [43]; các thiết b

goài các ứng d ng trong nh vực vật liệu y sinh, vật

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; - 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 mơ xương và mơ 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.


2
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.

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 S S – 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...

Ý
-

ng phương pháp nghiên cứu

thuyết kết hợp với thực nghiệm đ

àm r ảnh

hưởng của các thông số nhiệt động h c đến quá tr nh phản ứng nhiệt độ cao tự an truy n
S S) giữa

i và Ti, uận giải được cơ chế iến dạng siêu đàn h i của vật iệu

iTi xốp

thông qua các đường cong ứng su t – iến dạng, kết quả ph n t ch thành ph n pha và ph n
t ch nhiệt ượng kế vi sai.
- Việc ứng d ng phương pháp S S –
vật iệu siêu đàn h i

iTi xốp từ ột

hưởng của t nh hoạt hóa

n đ u tiên ở Việt

am đ chế tạo được

i và ột Ti độ tinh khiết 99,9 ) và àm r ảnh

mặt ột nguyên iệu đến khả n ng xảy ra phản ứng tự an

truy n và ch t ượng sản ph m vật iệu nhận được Từ đó xác đ nh được các thông số công
nghệ ch nh ph hợp với các thiết

nghiên cứu hiện có

- uận án đ đ xu t được công nghệ chế tạo vật iệu siêu đàn h i
ỗ xốp hở cao

ng phương pháp S S –

từ ột

iTi xốp có t

ệ

i và ột Ti độ tinh khiết 99,9 ) để


3
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. Đóng

góp này thật sự mới, chưa từng được cơng ố trên thế giới
- 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. Đánh giá được 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 cơng nghệ chế tạo ph hợp
ng d ng các kết quả nghiên cứu đ

-

ước đ u chế tạo th nghiệm hai dạng phôi

m u miếng đệm đốt sống nh n tạo m hiệu

- 9

và PLB004-0911).

B
Luận án g m 1 ph n mở đ u, 5 chương, kết uận, tài iệu tham khảo, danh m c các
công tr nh khoa h c đ công ố, ph
C

c được ố c c như sau:

ơ

C C

C
C

ơ

C

ơ

C

ơ

C

ơng 5.

C

C
C
C

C
C

C

C

C

C

Kết luận
Tài liệu tham kh o
Danh mụ
ụ ụ

ô

tr

ã ô

bố

ậ


4

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 khơng 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 q 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:

- Vật iệu siêu đàn h i n n đ ng.
- Vật iệu siêu đàn h i n n sắt.
- Vật iệu siêu đàn h i NiTi và n n NiTi.
1.1.1. V

Vật liệu siêu đàn h i n n đ ng (v d : Cu–Al–Ni, Cu–Zn–Al, Cu–Zr, Cu–Al–Mn,
Cu–Al–Zn–Mn, Cu–Al–Be, Cu–Al–Be–B) thu h t được r t nhi u sự quan tâm nghiên cứu
bởi khả n ng ph c h i lại iến dạng tốt, cơ t nh tốt và n i bật là khả n ng giảm ch n, giá
thành th p, phương pháp chế tạo tương đối đơn giản. Ngoài ra, vật liệu này c n có ưu điểm
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 thơ 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 NiTi, lại có
thể được n u trong khơng 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


5
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 
vật liệu siêu đàn h i n n đ ng với các hạt thơ đại là r t th p

o đó, độ b n m i của

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
hợp giữa hai phương pháp

và

[

,

,

), p nóng đẳng t nh

) hoặc phối

]. 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. Ngồi ba ngun tố chính này, cịn 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


6
Ms 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 thơng thường (CS), …

a.

b.
sê đ

Hình 1.1. Tháp chng với các dây chằ

NT

1.1.3. V

hồi

s

[46].

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
nghiệm

ava

ue er c ng các cộng sự tại ph ng th

) 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.


7
nh

à giản đ trạng thái hệ vật iệu

nh t để t n tại pha
630

iTi c n

i – Ti

ng v nguyên t khi tốc độ àm nguội đủ chậm ở khoảng

hiệt độ chảy của vật iệu ở pha

iTi à khoảng 1310C.

dưới nhiệt độ 630C, thành ph n pha của hệ vật iệu
NiTi2, Ni3Ti, Ni4Ti3 trong đó
ảng

và

ó thể nhận th y, nhiệt độ th p
hi àm nguội xuống

iTi thường bao g m các pha: NiTi,

i4Ti3 có thể coi à sự kết hợp của 2 pha NiTi2 và Ni3Ti).

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

Hình 1.2. Giả đồ trạng thái Ni – Ti [5].
Bảng 1.1. Một số tính chấ ơ học ơ ả c a

Tính ch t
ô đun đàn h i, GPa
Giới hạn chảy, MPa
Giới hạn

n,

a

siê đ

hồ N T đặc [27].

Pha Austenit

Pha Mactenxit

30 ÷ 83

21 ÷ 41

195 ÷ 690

70 ÷ 140

895 ÷ 1900

895 ÷ 1900

Độ dãn dài tại thời điểm phá hủy, %

≈

≈

Khả n ng ph c h i biến dạng, %

>8

>8

Hệ số ốt xơng

0,33

0,33