Анализ изменения микроструктуры и температур мартенситных превращений в сплаве TiNi с различной структурой

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Доступ платный или только для подписчиков

Аннотация

В представленной статье проведены исследования влияния многократных мартенситных превращений В2-В19’ на структуру и температуры превращений в различных структурных состояниях сплава TiNi. Показано, что в крупнозернистом, ультрамелкозернистом и нанокристаллическом сплаве TiNi происходят последовательные изменения в микроструктуре и температурах фазовых переходов, при увеличении числа термоциклов до n=100 с быстрым нагревом и быстрым охлаждением до –196 °C. Температуры превращений в ультрамелкозернистом состоянии Ti49.15Ni50.85 более устойчивы к термоциклированию (ТЦ), чем в крупнозернистом состоянии. Обнаружено образование нанодвойников мартенсита в наноструктурном состоянии после многократных термоциклов.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

А. А. Чуракова

Институт физики молекул и кристаллов – обособленное структурное подразделение Уфимского федерального исследовательского центра Российской академии наук; Уфимский университет науки и технологий

Автор, ответственный за переписку.
Email: churakovaa_a@mail.ru
ORCID iD: 0000-0001-9867-6997

к.ф.-м.н., науч. сотр.

Россия, Уфа; Уфа

Э. И. Исхакова

Институт физики молекул и кристаллов – обособленное структурное подразделение Уфимского федерального исследовательского центра Российской академии наук; Уфимский университет науки и технологий

Email: churakovaa_a@mail.ru
ORCID iD: 0009-0001-0907-6146

лаборант-исследователь

Россия, Уфа; Уфа

Список литературы

  1. Khachin V.N., Pushin V.G., Kondratiev V.V. Titanium nickelide: structure and properties / M.: Nauka, 1992. 161 p.
  2. Brailovski V. Shape memory alloys: fundamentals, modeling, applications / V. Brailovski S. Prokoshkin P. Terriaultet F. Trochu. Montreal: Ecolede technology esuperieure (ETS) Publ., 2003. 851 p.
  3. Shape Memory Materials / Ed. by K. Otsuka and C.M. Wayman. Cambridge: Cambridge University Press, 1999. 284 p.
  4. Gunther V.E. Medical materials and implants with shape memory / V.E. Gunter G.Z. Dambaev P.G. Sysolyatin et al. Tomsk: TSU, 1998. 487 p.
  5. Miyazaki S. Effect of thermal cycling on the transformation temperatures of Ti-Ni alloys / S. Miyazaki Y. Igo K. Otsuka // Acta metallurgica. 1986 V. 34. No.10. PP. 2045–2051.
  6. Erofeev V. Ya. Phase hardening during the martensitic transformation of titanium nickelide / V. Ya. Erofeev L.A. Monasevich V.A. Pavskaya, Yu. I. Pascal // FMM. 1982. T.53, No. 5. PP. 963–965.
  7. Mironov Yu.P. Evolution of the crystal structure during phase hardening of titanium nickelide / Yu.P. Mironov P.G. Erokhin S.N. Kulkov // News of universities. Physics. 1997. No. 2. PP. 100–104.
  8. Furuya Y. Thermal cyclic deformation and degradation of shape memory effect in Ti-Ni alloy / Y. Furuya Y.C. Park // Nondestructive Testing and Evaluation. 1992 V. 8.9, № 1–6. PP. 541–554.
  9. Lin G.M. Thermal cycling effects in Cu-Zn-Al shape memory alloy by positron lifetime measurements / G.M. Lin J.K.L. Lai C.Y. Chung // Scripta Metallurgica et Materialia. 1995 V. 32. No.11. PP. 1865–1869.
  10. Liang X. Thermal cycling stability and two-way shape memory effect of Ni–Cu–Ti–Hf alloys / X. Liang Y. Chen H. Shen Z. Zhang // Solid State Communications. 2001 V. 119. PP. 381–385.
  11. Valiev R.Z. Bulk nanostructured metal materials: preparation, structure and properties / R.Z. Valiev I.V. Alexandrov. M.: Akademkniga, 2007. 398 p.
  12. Valiev R.Z. Bulk nanostructured materials from severe plastic deformation / R.Z. Valiev R.K. Islamgaliev I.V. Alexandrov // Progress in Material Science. 2000 V. 45. PP. 103–189.
  13. Tatyanin E.V. Preparation of amorphous TiNi alloy during shear deformation under pressure / E.V. Tatyanin V.G. Kurdyumov V.B. Fedorov // FMM. 1986. T.62, No. 1. pp. 133–137.
  14. Valiev R.Z. Metastable nanostructured SPD TiNi alloys with unique properties / R.Z. Valiev D.V. Gunderov V.G. Pushin // Journal Metastable and nanostructured materials. 2005 V. 24–25. PP. 7–12.
  15. Prokoshkin S.D. Evolution of structure during severe plastic deformation of shape memory alloys based on TiNi / S.D. Prokoshkin I.Yu. Khmelevskaya S.V. Dobatkin I.B. Trubitsyna E.V. Tatyanin V.V. Stolyarov E.A. Prokofiev // FMM. 2004. T.97, No. 6. PP. 84–90.
  16. Valiev R.Z. Mechanical behavior of nanocrystalline TiNi alloy produced by SPD / R.Z. Valiev D.V. Gunderov A.V. Lukyanov V.G. Pushin // Journal of Materials Science. 2012 V. 47. No. 22. PP. 7848–7853.
  17. Belyaev S. Peculiarities of residual strain accumulation during thermal cycling of TiNi alloy / S. Belyaev N. Resnina A. Sibirev // Journal of Alloys and Compounds.2012 V. 542. PP. 37–42.
  18. Belyaev S. Deformation of Ti-51.5at.%Ni alloy during thermal cycling under different thermal-mechanical conditions / S. Belyaev N.Resnina R.Zhuravlev // Journal of Alloys and Compounds. 2013 V. 577. S.1. P. S232–S236.
  19. Belyaev S. Stability of mechanical behavior and work performance in TiNi-based alloys during thermal cycling / S. Belyaev N. Resnina // International Journal of Materials Research. 2013 V. 104. No.1. PP. 11–17.
  20. Urbina C. Effect of thermal cycling on the thermomechanical behaviour of NiTi shape memory alloys / C. Urbina S.De la Flor F. Ferrando // Materials Science and Engineering: A. 2009 V. 501. PP. 197–206.
  21. Tsoi K. Part I. Thermomechanical characteristics of shape memory alloys / K. Tsoi J. Schrooten R. Stalmans // Materials Science and Engineering: A. 2004 V. 368. No.1–2. PP. 286–298.
  22. Morin M. Influence of thermal cycling on the reversible martensitic transformation in a Cu-Al-Ni shape memory alloy / M. Morin F. Trivero // Materials Science and Engineering: A. 1995 V. 196. No.1–2. PP. 177–181.
  23. He X. Transformation behaviour with thermal cycling in Ti50Ni43Cu7 shape memory alloy / X. He L. Zhao X. Wang R. Zhang M. Li // Materials Science and Engineering: A. 2006 V. 427. No.1–2. PP. 327–330.
  24. Filip P. Influence of cycling on the reversible martensitic transformation and shape memory phenomena in TiNi alloys / P. Filip K. Mazanec // Scripta Metallurgica et Materialia. 1994 V. 30. No.1. PP. 67–72.
  25. Otsuka K. Martensitic transformations in nonferrous shape memory alloys / K. Otsuka X. Ren // Materials Science and Engineering: A. 1999 V. 273.275. PP. 89–105.
  26. McCormick P.G. Thermodynamic analysis of the martensitic transformation in NiTi II. Effect of transformation cycling / P.G. McCormick Y. Liu // Acta Metallurgica et Materialia. 1994 V. 42. No.7. PP. 2407–2413.
  27. Besseghini S. Ni-Ti-Hf shape memory alloy: effect of aging and thermal cycling / S. Besseghini E. Villa A. Tuissi // Materials Science and Engineering: A. 1999 V. 275. PP. 390–394.
  28. Kwarciak J. Effect of thermal cycling and Ti2Ni precipitation on the stability of the Ni-Ti alloys / J. Kwarciak Z. Lekston H. Morawirec // Journal of Materials Science. 1987 V. 7. PP. 2341–2345.
  29. Nishida M. Phase transformations in a Ti50Ni47.5Fe2.5 shape memory alloy / M. Nishida C.M. Wayman T. Honma // Metallography. 1986 V. 19. № 1. PP. 99–113.
  30. Shimizu K. Effect of ageing and thermal cycling on shape memory alloys / K. Shimizu // Journal of Electron Microscopy. 1985 V. 34. PP. 277–278.
  31. Hwang C.M. Phase transformations in TiNiFe, TiNiAl and TiNi alloys / C.M. Hwang C.M. Wayman // Scripta Metallurgica. 1983 V. 17. № 11. PP. 1345–1350.
  32. Van Humbeeck J. Cycling effects. Fatigue and degradation of shape memory alloys / J. Van Humbeeck // Journal de Physique IV. 1991 V. 1. PP. C4–C199.
  33. Liu Y. Factors influencing the development of two-way shape memory in NiTi / Y. Liu P.G. McCormick // Acta Metallurgica et Materialia. 1990 V. 38. No.7.– PP. 1321–1326.
  34. Jean R. The thermal cycling effect on Ti-Ni-Cu shape memory alloy / R. Jean J. Duh // Scripta Metallurgica et Materialia. 1995 V. 32. № 6. PP. 885–890.
  35. Amengual A. An experimental study of the partial transformation cycling of shape-memory alloys / A. Amengual A. Likhachev E. Cesari // Scripta Materialia. 1996 V. 34. № 10. PP. 1549–1554.
  36. Wagner M.F. Effect of low-temperature precipitation on the transformation characteristics of Ni-rich NiTi shape memory alloys during thermal cycling / M.F.-X. Wagner S.R. Dey H. Gugel J. Frenzel, Ch. Somsen G. Eggeler // Intermetallics. 2010 V. 8. No.6. PP. 1172–1179.
  37. Tang W. Analysis of the influence of cycling on TiNi shape memory alloy properties / W. Tang R. Sandström // Materials & Design. 1993 V. 14. No.2. PP. 103–113.
  38. Pelton A.R. Effects of thermal cycling on microstructure and properties in Nitinol / A.R. Pelton G.H. Huang P. Moinec R. Sinclaird // Materials Science and Engineering: A. 2012 V. 532. PP. 130–138.
  39. Wayman C.M. Transformation behavior and the shape memory in thermally cycled TiNi / C.M. Wayman I. Cornelis K. Shimizu // Scripta Metallurgica. 1972 V. 6. No.2. PP. 115–122.
  40. Wasilewski R.J. On the martensitic transformation in TiNi / R.J. Wasilewski S.R. Butler J.E. Hanlon // Metal Science. 1967 V. 1. № 1. PP. 104–110.
  41. Resnina N. Multi-stage martensitic transformations induced by repeated thermal cycling of equiatomic TiNi alloy / N. Resnina S. Belyaev // Journal of Alloys and Compounds. 2009 V. 486. No.1–2. PP. 304–308.
  42. Sibirev A. Unusual multistage martensitic transformation in TiNi shape memory alloy after thermal cycling / A. Sibirev S. Belyaev N. Resnina // Materials Science Forum. 2013 V. 738.739. PP. 372–376.
  43. Morgan N.B. A review of shape memory stability in NiTi alloys / N.B. Morgan C.M. Friend // Journal de Physique IV. 2001 V. 11. PP. 325–332.
  44. Tadaki T. Thermal cycling effects in an aged Ni-rich Ti-Ni shape memory alloy / T. Tadaki Y. Nakata K. Shimizu // Transactions of the Japan Institute of Metals. 1987 V. 28. No.11. PP. 883–890.
  45. Uchil J. Effect of thermal cycling on R-phase stability in a NiTi shape memory alloy / J. Uchil K. Ganesh Kumara K.K. Mahesh // Materials Science and Engineering: A. 2002 V. 332. No.1–2. PP. 25–28.
  46. Ibarra A. Evolution of microstructure and thermomechanical properties during superelastic compression cycling in Cu–Al–Ni single crystals / A. Ibarra J. San Juan E.H. Bocanegra M.L. No // Acta Materialia. 2007 V. 55. No.14. PP. 4789–4798.
  47. Otsuka K. Martensitic transformations in nonferrous shape memory alloys / K. Otsuka X. Ren // Materials Science and Engineering: A. 1999 V. 273.275. PP. 89–105.
  48. Liu Y. Influence of heat treatment on the mechanical behaviour of a NiTi alloy / Y. Liu P. McCormick // ISIJ International. 1989 V. 29. No.5. PP. 417–422.
  49. Simon T. On the multiplication of dislocations during martensitic transformations in NiTi shape memory alloys / T. Simon A. Kroger C. Somsen A. Dlouhy G. Eggeler // Acta Materialia. 2010 V. 58. No.5. PP. 1850–1860.
  50. Wasilewski R. Martensitic transformation and fatigue strength in TiNi / R. Wasilewski // Scripta Metallurgica. 1971 V. 5. No.3. PP. 207–211.
  51. Wang X. Improved functional stability of a coarse-grained Ti-50.8 at.% Ni shape memory alloy achieved by precipitation on dislocation networks. Scripta Materialia. 163, (2019).
  52. Li H.F. Nanocrystalline Ti49.2Ni50.8 shape memory alloy as orthopaedic implant material with better performance. Journal of Materials Science & Technology. 35, 10, (2019).
  53. Resnina N. Entropy change in the B2→B19’ martensitic transformation in TiNi alloy / N. Resnina S. Belyaev // Thermochimica Acta. 2015 V. 602. PP. 30–35.
  54. Ortin J. Thermodynamic analysis of thermal measurements in thermoelastic martensitic transformations / J. Ortin A. Planes // Acta Metallurgica. 1988 V. 36. PP. 1873–1889.
  55. Planes A. Energy contributions in the martensitic transformation of shape memory alloys / A.Planes J.L. Macqueron J. Ortin // Philosophical Magazine Letters. 1988 V. 57. PP. 291–298.
  56. Valiev R.Z. Nanostructured materials obtained by intense plastic deformation / R.Z. Valiev I.V. Alexandrov. M.: Logos, 2000. 272 p.
  57. Zheng Y.F. HREM studies of twin boundary structure in deformed martensite in the cold rolled TiNi shape memory alloy / Y.F. Zheng L.C. Zhao H.Q. Ye // Materials Science and Engineering A. 2001. V. 297. PP. 185–196.
  58. Churakova A.A., Gunderov D.V., Dmitriev S.V. Microstructure transformation and physical and mechanical properties of ultrafine-grained and nanocrystalline TiNi alloys in multiple martensitic transformations B2-B19’, Materialwissenschaft und Werkstofftechnik 2018, 49, 6, 769–778.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис.1. Оптическое изображение микроструктуры сплава Ti49,15Ni50,85 в КЗ состоянии после закалки (а) и после термоциклирования (b)

Скачать (3MB)
Метаданные
3. Рис.2. ПЭМ изображения микроструктуры сплава Ti49,15Ni50,85 в КЗ состоянии: светло- (а, в, г) и темнопольные (б) изображения, соответствующая данному состоянию микроэлектронограмма. На рисунке (г) представлен участок микроструктуры, содержащий частицу Ti4Ni2O

Скачать (1MB)
Метаданные
4. Рис.3. Типичные ПЭМ изображения микроструктуры в КЗ состоянии с последующим ТЦ, n=20: светлополные изображения (а, b) и соответствующая микроэлектронограмма (b)

Скачать (2MB)
Метаданные
5. Рис.4. ПЭМ изображения сплава Ti49,15Ni50,85 в состоянии после n=50 термоциклов: светло- (а, в-г) и темнопольные (б) изображения, микроэлектронограмма. На рисунке (г) представлено изображение участка 1 (в) границы зерна с толщинными контурами экстинкции с большим увеличением

Скачать (1MB)
Метаданные
6. Рис.5. Типичные микроструктуры сплава Ti49,15Ni50,85 в КЗ состоянии и после многократных термоциклов (n=100): светлопольные (а, b) изображения, микроэлектронограмма. На рисунке (b) представлен участок границы зерна с толщинными контурами экстинкции (показаны стрелками)

Скачать (1MB)
Метаданные
7. Рис.6. ПЭМ изображения микроструктуры сплава Ti49,15Ni50,85 в УМЗ: светло- (a, c–d) и темнопольные (b) изображения, микроэлектронограмма

Скачать (1MB)
Метаданные
8. Рис.7. ПЭМ изображения микроструктуры в УМЗ состоянии и ТЦ n=20: светло- (a, c–d) и темнопольные (b) изображения, микроэлектронограмма. На рисунках (c, d) представлены характерные участки структуры – зерна с равновесными границами и участок с большим скоплением дислокаций

Скачать (1MB)
Метаданные
9. Рис.8. ПЭМ изображения микроструктуры сплава Ti49,15Ni50,85 в УМЗ состоянии с n=50: светло- (а, c) и темнопольные (b) изображения, микроэлектронограмма

Скачать (1MB)
Метаданные
10. Рис.9. ПЭМ изображения микроструктуры в УМЗ состоянии c максимальным количеством циклов n=100: светло- (a, c–d) и темнопольные (b) изображения, микроэлектронограмма

Скачать (1MB)
Метаданные
11. Рис.10. ПЭМ изображения микроструктуры сплава Ti49,15Ni50,85 в аморфно-нанокристаллическом состоянии: светло- (а) и темнопольные (b) изображения, микроэлектронограмма. На рисунке (а) буквами обозначены участки с аморфной и нанокристаллической фазами

Скачать (1MB)
Метаданные
12. Рис.11. ПЭМ изображения в аморфно-нанокристаллическом состоянии с последующим термоциклированием: светло- (a) и темнопольные (b) изображения, на вставке (c) приведена микроэлектронограмма. На (a) показаны штрихами границы аморфной фазы

Скачать (2MB)
Метаданные
13. Рис.12. Типичная тонкая структура сплава Ti49,15Ni50,85 в НК состоянии: светло- (а, c) и темнопольные (b) изображения, микроэлектронограмма. На рисунке (c) - увеличенное изображение нанокристаллической структуры

Скачать (2MB)
Метаданные
14. Рис.13. Микроструктура в НК состоянии с последующим термоциклированием: светло- (а, c-d) и темнопольные (b) изображения, микроэлектронограмма. На рисунках (c, d) штрихом выделены области, которые можно обозначить как нанодвойники или дефекты упаковки

Скачать (1MB)
Метаданные
15. Рис.14. Графики зависимости характеристических температур мартенситных превращений для КЗ состояния от количества термоциклов: a – температуры прямого превращения, b – температуры обратного превращения и R-фазы; в УМЗ состоянии от количества термоциклов: c – температуры прямого превращения; d – температуры обратного превращения; в НК состоянии (e)

Скачать (647KB)
Метаданные
16. Рис.15. Зависимости энергий прямого и обратного фазовых превращений в сплаве в КЗ (а) и УМЗ (b) состояниях

Скачать (222KB)
Метаданные

© Чуракова А.А., Исхакова Э.И., 2024