THE MARTENSITE STABILIZATION EFFECT IN TITANIUM NICKELIDE AFTER PRELIMINARY DEFORMATION BY COOLING UNDER STRESS IN AN INCOMPLETE TRANSFORMATION INTERVAL

  • Authors: Rebrov T.V1, Volkov A.E1, Vukolov E.A1, Belyaev F.S2, Volkova N.A3, Evard M.E2
  • Affiliations:
    1. St. Petersburg State University, Saint Petersburg, Russian Federation
    2. Institute for Problems in Mechanical Engineering of the Russian Academy of Sciences, Saint Petersburg, Russian Federation
    3. 3St. Petersburg State Technological Institute (Technical University), Saint Petersburg, Russian Federation
  • Issue: No 6 (2024)
  • Pages: 113–122
  • Section: ARTICLES
  • URL: https://ered.pstu.ru/index.php/mechanics/article/view/4404
  • DOI: https://doi.org/10.15593/perm.mech/2024.6.10
  • Cite item

Abstract


When using thermosensitive sensors and servos, based on shape memory alloys (SMA), it is necessary to take into account the influence of shifting factors capable the temperatures of martensitic transformations (MP). One of these factors is the martensite stabilization effect (MSE), which manifests itself as an increase in reverse MP temperatures after preliminary deformation. Previous MSE studies allowed, based on experimental data, to hypothesize that this effect is due to damage to the boundaries orientation of the martensite domains. This suggests that minimizing or eliminating MSE is possible while minimizing damage to these boundaries. One of the ways to achieve this is to cool the SMA from the austenitic state under constant load in an incomplete temperature range of transformation. Numerical experiments performed within the framework of a microstructural model that takes into account MSE made it possible to determine the dependence of the temperature shift of the reverse transformation on the value of the fraction of direct transformation achieved during cooling. The results showed that the temperature shift remains zero or negligible until a certain critical fraction of the transformation is reached.

Full Text

Сплавы с памятью формы (СПФ) широко применяются в промышленности и медицине благодаря их функционально-механическим свойствам. Способность восстанавливать исходную форму при обратном мартенситном превращении (переходе в высокотемпературную фазу — аустенит) после деформации в низкотемпературной фазе (мартенсит) делает СПФ эффективными для использования в термомеханических приводах и термодатчиках. Характеристические температуры A_s и A_f, при которых начинается и заканчивается обратное мартенситное превращение, считаются константами материала. Однако исследования показали, что мартенситная фаза может сохраняться при нагреве до температур, превышающих A_s в недеформированном состоянии. Это явление известно как эффект стабилизации мартенсита (ЭСМ). В зависимости от области применения СПФ, ЭСМ может быть как полезным, так и нежелательным. Величина смещения температуры A_s зависит от степени предварительной деформации. Эффект стабилизации мартенсита встречается в различных сплавах с памятью формы. Он наблюдался в сплавах на основе меди: Cu–Zn–Al [1, 2], Cu–Ni–Al [3], сплавах Гейслера [4, 5] и титана [6]. В никелиде титана эффект исследуется с 1991 года. В работе Лина (H.C.Lin) с соавторами [7] после холодной прокатки с уменьшением толщины в 40% наблюдалось существенное увеличение температур обратного превращения при первом нагреве. При повторном нагревании смещения температур не наблюдалось. В дальнейшем ЭСМ исследовался при различных методах предварительной деформации. В 1993 году в исследовании Пиао (M.Piao) с соавторами [8] смещение температур при первом нагреве было вызвано с помощью деформирования образца растяжением в мартенситном состоянии. Позднее ЭСМ исследовался в работах Лию (Y.Liu) с соавторами [9–14] и других авторов [15, 16] при различных способах предварительной деформации: растяжение, сдвиг, вызванное напряжением превращение, охлаждение под нагрузкой. Эффект был обнаружен в моно- и поликристаллах сплава. В упомянутых исследованиях выдвигались различные гипотезы о причинах возникновения ЭСМ, но были впоследствии опровергнуты их же авторами или С.П. Беляевым с соавторами в работах [17–20]. В данной работе моделирование ЭСМ опирается на гипотезу, выдвинутую С.П. Беляевым с соавторами [20]. Согласно ей, основной причиной проявления ЭСМ является повреждение границ ориентационных доменов мартенсита, затрудняющее обратный переход и, следовательно, смещающее его температуры обратного превращения в большую сторону. Работа модели на основе данного предположения хорошо согласуется с экспериментальными данными [21, 22]. В исследовании [20] также было показано, что наблюдение ЭСМ можно предотвратить или минимизировать, если свести повреждение границ к минимуму. С образцом из сплава Ti_49 Ni_51 был проведён эксперимент с охлаждением под нагрузкой в неполном интервале прямого превращения, при этом ЭСМ не наблюдался. Можно сделать предположение, что существует некое критическое значение доли прямого превращения, после которого начинается повреждение межмартенситных границ.

About the authors

T. V Rebrov

St. Petersburg State University, Saint Petersburg, Russian Federation

A. E Volkov

St. Petersburg State University, Saint Petersburg, Russian Federation

E. A Vukolov

St. Petersburg State University, Saint Petersburg, Russian Federation

F. S Belyaev

Institute for Problems in Mechanical Engineering of the Russian Academy of Sciences, Saint Petersburg, Russian Federation

N. A Volkova

3St. Petersburg State Technological Institute (Technical University), Saint Petersburg, Russian Federation

M. E Evard

Institute for Problems in Mechanical Engineering of the Russian Academy of Sciences, Saint Petersburg, Russian Federation

References

  1. Kustov, S., Pons, J., Cesari, E., Morin, M. and Van Humbeeck, J. (2004), Athermal stabilization of Cu–Al–Be β1′ martensite due to plastic deformation and heat treatment, Materials Science and Engineering A, 373(1-2), pp. 328-338
  2. Kustov, S., Pons, J., Cesari, E. and Van Humbeeck, J. (2004), Chemical and mechanical stabilization of martensite, Acta Materialia, 52, pp. 4547-4559
  3. Heczko, O., et al. (2018), Mechanical Stabilization of Martensite in Cu–Ni–Al Single Crystal and Unconventional Way to Detect It, Shape Memory and Superelasticity, 4(1), pp. 77-84
  4. Chernenko, V. A., et al. (2004), Transformation behaviour and martensite stabilization in the ferromagnetic Co–Ni–Ga Heusler alloy, Scripta Materialia, 50(2), pp. 225-229
  5. Kadletz, P. M., et al. (2015), Martensite stabilization in shape memory alloys – Experimental evidence for short-range ordering, Materials Letters, 159, pp. 16-19
  6. Bakhtiari, S., et al. (2022), Deformation induced martensite stabilization of NiTi in constrained composite systems, Materials Science Engineering A: Structural Materials: Properties, Microstructure and Processing, 857, p. 144128
  7. Lin, H. C., Wu, S. K., Chou, T. S. and Kao, H. P. (1991), The effects of cold rolling on the martensitic transformation of an equiatomic Ti Ni alloy, Acta Metallurgica et Materialia, 39(9), pp. 2069-2080
  8. Piao, M., Otsuka, K., Miyazaki, S. and Horikawa, H. (1993), Mechanisms of the As temperature increase by pre-deformation in thermoelastic alloys, Materials Transactions JIM, 34(10), pp. 919-929
  9. Liu, Y. and Favier, D. (2000), Stabilisation of martensite due to shear deformation via variant reorientation in polycrystalline NiTi, Acta Materialia, 48, pp. 3489-3499
  10. Liu, Y. and McCormick, P.G. (1994), Thermodynamic analysis of the martensitic transformation in NiTi-I. Effect of heat treatment on transformation behaviour, Acta Metallurgica et Materialia, 42(7), pp. 2401-2406. doi: 10.1016/0956-7151(94)90318-2
  11. Liu, Y. and Tan, G.S. (2000), Effect of deformation by stress-induced martensitic transformation on the transformation behaviour of NiTi, Intermetallics, 8, pp. 67-75
  12. Tan, G. and Liu, Y. (2004), Comparative study of deformation-induced martensite stabilization via martensite reorientation and stress-induced martensitic transformation in NiTi, Intermetallics, 12(4), pp. 373-381. doi: 10.1016/j.intermet.2003.11.008
  13. Liu, Y. (2004), Mechanistic simulation of deformation-induced martensite stabilization, Materials Science and Engineering A, 378, pp. 459-464
  14. Liu, Y., Tan, G. and Miyazaki, S. (2006), Deformation-induced martensite stabilisation in [100] single-crystalline Ni–Ti, Materials Science and Engineering A, 438-440, pp. 612-616
  15. Ortin, J. and Planes, A. (1989), Thermodynamics of thermoelastic martensitic, Acta Metallurgica, 37, pp. 1433-1441. doi: 10.1016/0001-6160(89)90175-2
  16. Wollants, P., Roos, J.R. and Delaey, L. (1993), Thermally- and stress-induced thermoelastic martensitic transformations in the reference frame of the equilibrium thermodynamics, Progress in Materials Science, 37, pp. 227-288. doi: 10.1016/0079-6425(93)90005-6
  17. Belyaev, S., Resnina, N., Iaparova, E., Ivanova, A., Rakhimov, T. and Andreev, V. (2019), Influence of chemical composition of NiTi alloy on the martensite stabilization effect, Journal of Alloys and Compounds, 787, pp. 1365-1371. doi: 10.1016/j.jallcom.2019.01.326
  18. Belyaev, S., Resnina, N., Rakhimov, T. and Andreev, V. (2020), Martensite stabilisation effect in Ni-rich NiTi shape memory alloy with different structure and martensitic transformations, Sensors and Actuators A: Physical, 305, p. 111911. doi: 10.1016/j.sna.2020.111911
  19. Belyaev, S., Resnina, N., Ivanova, A., et al. (2020), Martensite Stabilization Effect in the Ni50Ti50 Alloy After Preliminary Deformation by Cooling Under Constant Stress, Shape Memory and Superelasticity, 6, pp. 223-231. doi: 10.1007/s40830-020-00282-2
  20. Belyaev, S., Resnina, N., Ponikarova, I., Iaparova, E., Rakhimov, T., Ivanova, A., Tabachkova, N. and Andreev, V. (2022), Damage of the martensite interfaces as the mechanism of the martensite stabilization effect in the NiTi shape memory alloys, Journal of Alloys and Compounds, 921, p. 166189
  21. Belyaev, F.S., Volkov, A.E., Volkova, N.A., Vukolov, E.A., Evard, M.E. and Rebrov, T.V. (2023), Modelirovanie effekta stabilizacii martensita v nikelide titana posle deforma-cii v martensitnom sostoyanii [Simulation of the effect of martensite stabilization in titanium nickelide after deformation in the martensitic state], Mechanika kompozitsionnykh materialov i konstruktsiy, 29(4), pp. 470-482
  22. Belyaev, F.S., Volkov, A.E., Volkova, N.A., Vukolov, E.A. and Evard, M.E. (2024), The effect of martensite stabilization in titanium nickelide after various methods of pre-deformation: simulation with a single set of constants, Materials Physics and Mechanics
  23. Belyaev, F., Evard, M., Volkov, A. and Volkova, N. (2015), A microstructural model of SMA with microplastic deformation and defects accumulation: Application to thermocyclic loading, Materials Today: Proceedings, 2(Suppl. 3), pp. S583-S587
  24. Volkov, A.E., Evard, M.E., Volkova, N.A. and Vukolov, E.A. (2023), Microstructural modeling of a TiNi beam bending, Materials Physics and Mechanics, 51(2), pp. 177-186
  25. Beliaev, F.S., Evard, M.E., Ostropiko, E.S., Razov, A.I. and Volkov, A.E. (2019), Aging Effect on the One-Way and Two-Way Shape Memory in TiNi-Based Alloys, Shape Memory and Superelasticity, 5(3), pp. 218-229
  26. Salzbrenner, R.J. and Cohen, M. (1979), On the thermodynamics of thermoelastic martensitic transformations, Acta Metallurgica, 27, pp. 739-748
  27. Patoor, E., Eberhardt, A. and Berveiller, M. (1996), Micromechanical modelling of superelasticity in shape memory alloys, Journal of Physics IV, C1-6, pp. 277-292
  28. Patoor, E., El Amrani, M., Eberhardt, A. and Berveiller, M. (1995), Determination of the origin for the dissymmetry observed between tensile and compression tests on shape memory alloys, Journal of Physics IV, 5, pp. 495-500
  29. Nishida, M., Nishiura, T., Kawano, H. and Imamura, T. (2012), Self-accommodation of B19′ martensite in Ti-Ni shape memory alloys – Part I. Morphological and crystallographic studies of variant selection rule, Philosophical Magazine, 92, pp. 2215–2233
  30. Madangopal, K., Singh, J. and Banerjee, S. (1991), Self-accommodation in Ni-Ti shape memory alloys, Scripta Metallurgica, 25, pp. 2153–2158.
  31. Madangopal, K., Singh, J.B. and Banerjee, S. (1993), The Nature of Self-Accommodation in Ni-Ti Shape Memory Alloys, Scripta Metallurgica et Materialia, 29, pp. 725-728
  32. Trusov, P.V. and Volegov, P.S. (2011), Fizicheskie teorii plastichnosti: teoriya i prilozheniya k opisaniyu neuprugogo deformirovaniya materialov. Ch.1. Zhestkoplasticheskie i uprugoplasticheskie modeli [Physical theories of plasticity: Theory and applications to the description of inelastic deformation of materials. Part 1. Rigid-plastic and elastic-plastic models], Vestnik PGTU. Mekhanika, (1), pp. 5-4
  33. Trusov, P.V. and Shveikin, A.I. (2019), Mnogourovnevye modeli mono- i polikristallicheskikh materialov: teoriya, algoritmy, primery primeneniya [Multilevel models of single- and polycrystalline materials: Theory, algorithms, application examples]. Novosibirsk: Izdatelstvo SO RAN. doi: 10.15372/MULTILEVEL2019T

Statistics

Views

Abstract - 3

PDF (Russian) - 3

Cited-By


PlumX


Copyright (c) 2024 Rebrov T.V., Volkov A.E., Vukolov E.A., Belyaev F.S., Volkova N.A., Evard M.E.

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International License.

This website uses cookies

You consent to our cookies if you continue to use our website.

About Cookies