بررسی تاثیر ضخامت فصل مشترک بر رفتار حافظه داری و سوپر الاستیک کامپوزیت دو لایه ی نیکل- تیتانیم

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشکده مهندسی مواد و متالورژی، دانشکده فنی دانشگاه تهران، دانشگاه تهران، تهران، ایران

2 استاد دانشکده مهندسی متالورژی و مواد دانشگاه تهران

چکیده

آلیاژهای حافظه دار نیکل- تیتانیم به دلیل دارا بودن خواص حافظه داری، سوپرالاستیسیته و زیست سازگاری کاربردهای گسترده ای یافته اند. رفتار حافظه داری و سوپرالاستیسیته وابسته به ترکیب شیمیایی، دما و ساختار آلیاژ می باشد. جهت برخورداری از خاصیت حافظه داری و سوپرالاستیسیته به صورت همزمان یک کامپوزیت دو لایۀ استنیتی/ مارتنزیتی ساخته شد. اتصال نفوذی لایه هایی با نسبت 2 به 1 ( مارتنزیت: استنیت) در کورۀ تیوبی خلاء در دمای 1000 درجه سانتیگراد به مدت 3 ساعت تحت تنش فشاری 20 مگاپاسکال انجام شد. به منظور بررسی تاثیر زمان آنیل بر پهنای فصل مشترک و خواص کامپوزیت، نمونه ها در دمای 1000 درجه سانتیگراد برای زمان های 5 ساعت و 10 ساعت تحت عملیات آنیل قرار گرفتند. برای بررسی خواص ریزساختاری فصل مشترک از میکروسکوپ نوری و برای بررسی شیب غلظتی ترکیب شیمیایی در عرض فصل مشترک از آنالیز خطی به وسیلۀ طیف سنجی پراش انرژی اشعۀ ایکس و برای بررسی خواص مکانیکی فصل مشترک از میکرو سختی سنجی استفاده شد. جهت بررسی رفتار حافظه داری و سوپرالاستیک کامپوزیت های دو لایه از آزمون بارگذاری - باربرداری و سیکل حرارتی درجا به وسیلۀ اعمال جریان الکتریکی بهره برده شد. بررسی ها نشان می دهد که زمان آنیل، تاثیر بسزایی بر پهنای فصل مشترک داشته و به تبع آن یک شیب ریزساختاری در عرض کامپوزیت ایجاد شده است. با افزایش زمان آنیل کامپوزیت های دولایه می توانند به عنوان مواد تابعی عمل کرده و به دلیل کنترل پذیری بهتر، به عنوان عملگر در سیستم های الکترومکانیک استفاده شوند.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

The effect of interface thickness on shape memory and superelastic behavior of NiTi bi-layer composite

نویسندگان [English]

  • Sepideh Sadat Hosseini Noorabadi 1
  • Mahmoud Nili-Ahmadabadi 2
1 Material Science and Engineering Faculty, School of Engineering, University of Tehran, Tehran, Iran
2 Professor, School of Metallurgy and Materials Engineering, University of Tehran
چکیده [English]

NiTi alloys (SMAs) are unique alloys, which have attractive properties, shape memory effect, super-elasticity and biocompatibility. Each property strongly depends on the composition, temperature and structure. To have shape memory and superelastic behavior at the same time, a bi-layer composite, austenitic (A)/martensitic (M) NiTi alloy was designed and made to investigate the properties. Layers with 2:1 ratio (M:A) were bonded under diffusion bonding process in vacuum tube furnace at 1000 ⁰C, for 3 hours under 20 MPa compressive stress. To evaluate the effect of interface zone on the properties, specimens were annealed in vacuum tube furnace at 1000 ⁰C for 5 and 10 hours. The interface was investigated by optical microscopy, and chemical composition gradient in the interface zone was analyzed using line scan analysis with energy dispersive X-ray spectroscopy. Mechanical properties of the interface zone were studied using micro-hardness measurements. The shape memory and superelastic behavior of bi-layer were investigated using loading-unloading test and in-situ thermal heating by applying electrical current. The results depicted that annealing time has significant effect on the width of interface zone, and thus a microstructural gradient has been developed, within the thickness of the specimen. It was found that the bi-layer specimens could act as a functionally graded material due to their chemical composition gradients that is desirable for better controllability in actuation applications.

کلیدواژه‌ها [English]

  • NiTi alloy
  • Shape memory
  • Superelasticty
  • Diffusion bonding
  • FGMs

[1] G. Brook, “Applications of Titanium-Nickel Shape Memory Alloys”, Materials and Design, 4, 835-840, 1983.

[2] M. H. Elahinia, M. Hashemi, M. Tabesh, and S. B. Bhaduri, “Manufacturing and Processing of NiTi Implants”, A Review Progress in Materials Science, 57, 911-946, 2012.

[3] S. Miyazaki and K. Otsuka, “Development of Shape Memory Alloys”, ISIJ International, 29, 353-377, 1989.

[4]  M. Mohri, M. Nili-Ahmadabadi, J. Ivanisenko, R. Schwaiger, H. Hahn and V. Sai Kiran Chakravadhanula, “Microstructure and Mechanical Behavior of a Shape Memory Ni–Ti Bi-layer Thinfilm”, Journal of Thin Solid Films, 583, 245–254, 2015.

[5] T. Lehnert, H. Grimmer, P. Böni, M. Horisberger and R. Gotthardt, “Characterization of Shape-Memory Alloy Thinfilms Made Up from Sputter-Deposited Ni/Ti Multilayer”, Acta Materialia, 48, 4065, 2000.

[6] S. Takabayashi, E. Tanino, S. Fukumoto, Y. Mimatsu, S. Yamashita and Y. Ichikawa, “Functionally Gradient NiTi Fabricated by Sputtering”,  Journal of  Applied Physics, 35, 200, 1996.

[7] Q. Meng, Y. Liu, H. Yang, B. S. Shariat and T. Nam, “Functionally Graded NiTi Strips Prepared by Laser Surface Anneal”, Acta Materialia, 60, 1658-1668, 2012.

[8] I. Shiota and Y. Miyamoto, “Functionally Graded Materials”, Elsevier Science, 1997.

[9] B.S. Shariat and M. Eslami, “Thermal Buckling of Imperfect Functionally Graded Plates”, International Journal of Solids and Structures, 43, 4082–4096, 2006.

[10] B.S. Shariat and M. Eslami, “Buckling of Thick Functionally Graded Plates under Mechanical and Thermal Loads”, Composite Structures, 78, 433–439, 2007.

[11] B.S. Shariat, R. Javaheri and M. Eslami, “Buckling of Imperfect Functionally Graded Plates under In-plane Compressive Loading”, Journal of Thin-Walled Structures, 43, 1020–1036, 2005.

[12] Y. Fu, H. Du, W. Huang, S. Zhang and M. Hu, “TiNi-Based Thin Films in MEMS Applications”, Sensors and Actuators A: Physical, 112, 395–408, 2004.

[13] R. M. S. Martins, N. Schell, H. Reuther, L. Pereira, K. K. Mahesh and R. J. C. Silva, “Texture Development, Microstructure and Phase Transformation Characteristics of Sputtered Ni–Ti Shape Memory Alloy Films Grown on TiN<111>”, Thin Solid Films, 519, 122–128, 2010.

[14] P. Shewmon, “Diffusion in solids”, The Minerals, Metals & Materials Society, Diffusion in Solids. Second Edition. (Retroactive Coverage)(United States), p. 246, 1989.

[15] F. E. Wang, W.J. Buehler and S. J. Pickart, “Crystal Structure and a Unique Martensitic Transition of TiNi”, Journal of Applied Physics, 36, 3232–3239, 1965.

[16] K. Otsuka and X. Ren, “Physical Metallurgy of Ti–Ni-Based Shape Memory Alloys”, Progress in Materials Science, 50, 511–678, 2005.

[17] J. Frenzel, E. P. George, A. Dlouhy, C. Somsen, M. F. X. Wagner and G. Eggeler, “Influence of Ni on Martensitic Phase Transformations in NiTi Shape Memory Alloys”, Acta Materialia, 58, 3444–3458, 2010.

[18] W. J. Moberly and K. N. Melton, “NiTiCu Shape Memory Alloys”, Engineering Aspects of Shape Memory Alloys, 46-57, 1990.

[19] O. Mercier and K. N. Melton, “The Substitution of Cu for Ni in NiTi Shape Memory Alloys”, Metallurgical and Materials Transactions A, 10, 387-389, 1979.

[20] J. Shaw and S. Kyriakides, “On the nucleation and propagation of phase transformation fronts in a NiTi alloy” Acta Materialia, 45, 683-700, 1997.

[21] P. Shewmon, “Diffusion in solids”, The Minerals, Metals & Materials Society, Diffusion in Solids. Second Edition. (Retroactive Coverage)(United States), 31-34, 1989.

[22] W. Schmahl, J. Khalil-Allafi, B. Hasse, M. Wagner, A. Heckmann, and C. Somsen, “Investigation of the Phase Evolution in a Super-Elastic NiTi Shape Memory Alloy (50.7 at.% Ni) under Extensional Load with Synchrotron Radiation”, Materials Science and Engineering: A, 378, 81-85, 2004.

[23]J. G. Fuentes, P. Gumpel and J. Strittmatter, “Phase Change Behavior of Nitinol Shape Memory Alloys”, Advanced Engineering Materials, 4, 437-452, 2002.

[24] A. Mahmud, Y. Liu, and T. Nam, “Gradient anneal of functionally graded NiTi,” Smart Mater. Struct., 2008.