بررسی تحولات فازی و پاسخ آلیاژ حافظه‌دار NiTi تحت عملیات ترمومکانیکی

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

استادیار گروه مهندسی مواد و متالورژی، دانشکده فنی- مهندسی، دانشگاه اراک

چکیده

در این پژوهش، دگرگونی مارتنزیتی و پاسخ آلیاژ حافظه‌دار NiTi تحت عملیات ترمومکانیکی مختلف مورد مطالعه قرار گرفت. به منظور بررسی تغییر فاز و مقایسه‌ی پاسخ ماده، عملیات حرارتی در دماهای °C 600 - 350 و کوئنچ در آب، به منظور تهیه چند نمونه با مشخصات مختلف تحول، آماده گردید. دماهای استحاله، با استفاده از روش کالری‌متری (DSC) اندازه‌گیری شد. پس از آن، برای تعیین تنشی که در آن تحول رخ می دهد، آزمایش کشش در دمای اتاق و در دو دمای بالاتر از Af انجام گرفت. نتایج بدست آمده نشان می دهد که با افزایش دما و یا زمان عملیات حرارتی، دمای شروع استحاله مارتنزیتی افزایش و دمای شروع و پایان تحول فاز R کاهش می‌یابد؛ به طوری که در دماهای بالاتر فاز R ناپدید می شود. در دمای اتاق تنشی که در آن جهت گیری مجدد مارتنزیتی صورت می گیرد، برای نمونه های مختلف یکسان بوده و ظاهرا در دماها و زمان‌های بیشتر عملیات حرارتی تغییر نمی‌کند. اما در نمونه‌هایی که در آنها تحول مارتنزیتی رخ می‌دهد، تشکیل مارتنزیت ناشی از تنش از فاز R تحت تنش‌های متفاوت اتفاق می‌افتد. این نمونه‌ها در دمای بالا رفتار سوپرالاستیک نشان می‌دهند. در حالی که در نمونه هایی که در 550 درجه و بالاتر عملیات حرارتی شده اند چنین رفتاری دیده نمی شود. بنابراین با تغییر هدفمند شرایط می توان پاسخی متفاوت و متناسب با کاربرد آلیاژ دریافت نمود. این مهم در طراحی محصولات ساخته شده از آلیاژهای حافظه دار مثل محرکه ها بسیار اهمیت دارد.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Study of Phas Transformation and Mechanical Response in NiTi Shape Memory Alloy under Different Thermomechanical Treatment

نویسندگان [English]

  • Yousef Payandeh
  • Bahman Mirzakhani
Assistant professor, Department of Materials Science & Engineering, Faculty of Engineering, Arak University,
چکیده [English]

In this work, the martensitic transformation and mechanical response of a near equiatomic NiTi Shape Memory Alloy (SMA) subjected to different thermo-mechanical treatments has been studied. The NiTi wire in as drawn condition was subjected to seven heat treatment cycles in order to prepare the wires with different transformation characteristics. The transformation temperatures have been measured using DSC method. The wires were then subjected to tensile test at the temperature of 20, 80 and 90 C, in order to study the stress induced martensite.
According to the results, with increasing the heat treatment temperature or time, the Ms increases and the Rs decreases in such a way that the R-phase disappears when the temperature achieves to 600 C.
The stress at which, the martens tic reorientation takes place is independent of the heat treatment conditions. The stress induced martensite, however, forms under different stresses, depending on the heat treatment temperature and time. These samples show the superelastic effect at high temperature; but in the case of the samples with martensitic reorientation, the alloys are not able to present this effect. Therefore, it is possible to determine the mechanical response of the material with respect to the given applications.

کلیدواژه‌ها [English]

  • NiTi Shape Memory Alloy
  • Martensitic transformation
  • Martensitic reorientation
  • Twinning
  • slip
1- G. B. Olson, M. Cohen. Stress assisted isothermal martensitic transformation: Application to TRIP steels. Metall. Trans. A 13A (1982),  p.1907–1914.

2- C. M. Wayman. Phase transformations, nondiffusive. In: Cahn, R. W., Haasen, P. (Eds.), Physical Metallurgy. North-Holland Physics Publishing, New York (1983).

3- K. A. Tsoi. Thermomechanical and Transformational Behaviour and Applications of Shape Memory Alloys and their Composites. PhD thesis; School of Aerospace, Mechanical and Mechatronic Engineering; University of Sydney; September 2002.    

4- L. I. Barbero Bernal. Cyclic Behavior of Superelastic Ni-Ti and NiTiCr Shape Memory Alloys, PhD thesis. Georgia Institute of Technology, December 2004.               

5- K. Otsuka, X. Ren. Physical metallurgy of Ti–Ni-based shape memory alloys. Progress in Materials Science 50 (2005), p. 511–678.             

6- CM. Hwang, M. Meichle, MB. Salamon, CM. Wayman. Transformation behaviour of a Ti50Ni47Fe3 alloy II. Subsequent premartensitic behaviour and the commensurate phase; Philos Mag A; 47 (1983), p. 31-62.         

7- S. Miyazaki and K. Otsuka. Mechanical behaviour associated with the premartensitic rhombohedral-phase transition in a Ti50Ni47Fe3 alloy; Philos Mag A 50 (1984), p. 393-408.

8- VN. Khachin, YI. Paskal, VE. Gunter, AA. Monasevich and VP. Sivokha. Structural Transformation, Physical Properties and Memory Effects in the NiTi and Ti-based Alloys; Phys Met Metallogr 46 (1978), p. 49-57.

9- VN. Khachin, VE. Gjunter, VP. Sivokha and AS. Savvinov. Lattice instability, martensitic transformation, plasticity and anelasticity of NiTi; Proc Int Conf on Martensitic Transformation (ICOMAT- 79), Cambridge, MA, (1979). p. 474.  

10- H.C. Ling, R. Kaplov. Phase Transition and Shape Memory in NiTi; Metall Trans A 11(1980), p. 77-83.  

11- H.C. Ling, R. Kaplov. Stress-Induced Shape Changes and Shape Memory in the R and Martensite Transformations in Equiatomic NiTi; Metall Trans A 12 (1981), p. 2101-2111.

12- H.C. Ling, and R. Kaplow. Stress-induced shape changes and shape memory in the R and martensitic transformations in equiatomic NiTi, Metallurgical Transactions A 12 (1981), p. 2101-2111.

13- P. Sittner, M. Landa, P. Lukas and V. Novak. R-phase transformation phenomena in thermomechanically loaded NiTi polycrystals, Mechanics of Materials 38 (2006), p. 475–492.

14-  K. Otsuka, CM. Wayman. Editors, shape memory materials. Cambridge: Cambridge University Press, (1999).

15- P. A. Popov. Constitutive Modelling of Shape Memory Alloys and Upscaling of Deformable Porous Media. PhD thesis. Texas A & M University, 2005.

16- S. Miyazaki, S. Kimura, K. Otsuka. Shape-memory effect and pseudoelasticity associated with the R-phase transition in Ti-50.5 at.% Ni single crystals. Philos Mag A 57 (1988), p. 467-478.

17- K. Otsuka, K. Shimizu. Pseudoelasticity and shape memory effects in alloys; Int Metals Rev (1986),  p. 31: 93-114.      

18- F. Sun, S. Nowak, T. Gloriant, P. Laheurte, A. Eberhardt and F. Prima, Influence of a short thermal treatment on the superelastic properties of a titanium-based alloy; Scripta Materialia 63 (11) (2010), p. 1053-1056.

19- C. Kim. A Smart Polymer Composite Actuator with Thin SMA Strips, Int. J. Mod. Phys. B 20 (25–27), (2006), p. 3733–3738.               

20- H.Y. Kim, T. Sasaki, J.I. Kim, T. Inamura, H. Hosoda and S. Miyazaki, Texture and shape memory behavior of Ti–22Nb–6Ta alloy, Acta Mater. 54 (2006), p. 423-433.

21- MW. Burkart, and TA. Read. Diffusionless phase change in the Indium–Thallium system; Trans AIME (1953), p.197-1516.

22- P. Wollants, M. De Bonte and JR. Roos. A Thermodynamic Analysis of the Stress-Induced Martensitic Transformation in a Single Cyistal; Z Metallkd (1979), p. 70- 113.