SUPERVISOR
Fatallah Karimzadeh,Ahmad KermanPour
فتح اله کریم زاده (استاد راهنما) احمد کرمانپور (استاد راهنما)
STUDENT
Ehsan Mohammad sharifi
احسان محمدشریفی
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده مهندسی مواد
DEGREE
Doctor of Philosophy (PhD)
YEAR
1388
TITLE
Fabrication and evaluation of the superelastic and shape memory properties of the TiNiCo alloy nanostructured by thermomechanical processing
In the current research, the effect of thermomechanical processing on the microstructural evolution, transformation behavior, superelastic and shape memory properties of the Ti 50 Ni 50 and Ti 50 Ni 48 Co 2 shape memory alloys was investigated. In view of drawbacks in vacuum induction melting (e.g. carbon contamination of the ingot from graphite crucible and formation of TiC precipitates in the microstructure) and vacuum arc remelting (e.g. the lack of enough stirring and as a result chemical inhomogeneity and require to several remelting), in this study, Ti 50 Ni 50-x Co x ingots (x=2,4,8) were produced by a new process called copper boat induction melting (CBIM). In CBIM, similar to VIM, electromagnetic stirring results in excellent chemical homogeneity but graphite crucible is replaced with water-cooled copper mold (copper boat). Hence, the reaction between Ti and C is eliminated and a clean melt is achieved. The as-cast ingots were then homogenized, hot rolled and annealed to prepare the suitable initial microstructure. Thereafter, annealed specimens were cold rolled up to 70% thickness reduction at room temperature. Post deformation annealing was conducted at 400 ? C for 1h. Differential scanning calorimetry (DSC) results showed that the addition of Cobalt higher than 2 at.% can dramatically decrease the martensitic transformation temperatures so that the martensitic transformation temperature of the ternary alloys containing 4 and 8 at.% Co was lower than -60 ° C and -150 ° C, respectively. Hence, the optimum content of Co-addition was selected as 2 at.%. The homogenized Ti 50 Ni 48 Co 2 alloy had a two-stage transformation during cooling including the austenite to R phase and the R phase to martensite. Transmission electron microscopy (TEM) observations revealed that the initial deformation mechanism of Ti 50 Ni 50 and Ti 50 Ni 48 Co 2 alloys during cold rolling was stress-induced martensitic transformation followed by plastic deformation of martensite via dislocation slip and subsequent martensite to austenite transformation via the reverse transformation after unloading. Microstructural investigations showed that by increasing the cold deformation, a high density of dislocations is accumulated, leading gradually to nanocrystallization and amorphization. With increasing thickness reduction during cold rolling, the ultimate tensile strength of Ti 50 Ni 50 and Ti 50 Ni 48 Co 2 alloys increased, but elongation decreased. It is noteworthy that the 70% cold rolled specimens had a record strength level up to 1.8 GPa. After annealing at 400 ° C for 1h, the amorphous phase formed in the cold rolled specimens was completely crystallized and a fully nanocrystalline structure with the grain size between 10 and 70 nm was achieved in Ti 50 Ni 50 and Ti 50 Ni 48 Co 2 alloys. The non-isothermal DSC analysis results suggest that the crystallization mechanism is governed dominantly by a three-dimensional interface-controlled growth in which retained nanocrystallites embedded in the amorphous phase can act as inhomogenous nucleation sites. Results showed that the stress level of plateau (? SIM ) and its length in the stress–strain curve of the Ti 50 Ni 50 and Ti 50 Ni 48 Co 2 alloys could be significantly improved through the formation of the nanocrystalline structure. It is noteworthy that in the 70% cold rolled-annealed specimens, the value of ? SIM was measured to be 615 and 730 MPa, respectively for the Ti 50 Ni 50 and Ti 50 Ni 48 Co 2 alloys. With increasing thickness reduction during cold rolling, the irrecoverable strain of Ti 50 Ni 50 and Ti 50 Ni 48 Co 2 alloys was decreased during superelastic experiments so that the 70% cold rolled-annealed specimens exhibited about 12 % of recoverable strain. Observed improvement in the superelastic behavior of the Ti 50 Ni 50 and Ti 50 Ni 48 Co 2 alloys can be attributed to increase of the critical dislocation-induced slip stress as a result of thermomechanical treatment and formation of nanocrystalline structure. Comparing the superelastic and shape memory behavior of Ti 50 Ni 50 and Ti 50 Ni 48 Co 2 alloys showed that the addition of Co resulted in higher plateau stresses and recoverable strain when compared to the binary alloy.
در این پژوهش تأثیر عملیات ترمومکانیکی بر تحولات ریزساختاری، رفتار استحالهای و خواص ابرکشسانی و حافظهداری آلیاژهای Ti 50 Ni 50 و TiNiCo مورد بررسی قرار گرفت. با توجه به نقایص روشهای ذوب القایی در خلأ (از قبیل جذب کربن از بوته گرافیتی توسط مذاب و ایجاد رسوبات TiC در ساختار) و ذوب قوسی در خلأ (از قبیل عدم تلاطم مذاب و در نتیجه ایجاد جدایش و نیاز به تکرار چندین باره عملیات ذوب)، در این پژوهش از روش ذوب القایی تحت خلأ در قایقک مسی برای ریختهگری شمشهای اولیه آلیاژ Ti 50 Ni 50 و آلیاژهای Ti 50 Ni 50-x Co x با مقادیر مختلف کسر اتمی کبالت (8 و4و2x=) استفاده شد. ویژگی این روش عدم واکنش مذاب با بوته، تلاطم مناسب مذاب و یکنواختی ترکیب شیمیایی شمش تولیدی میباشد. شمشهای تولیدی بعد از مرحله همگنسازی، تحت عملیات نورد گرم، نورد سرد و آنیل قرار گرفتند. در هر مرحله تحولات فازی، ریزساختاری و خواص مکانیکی نمونهها مورد ارزیابی قرار گرفت. با توجه به کاهش شدید دماهای استحاله در آلیاژهای سهتایی با بیش از 2% اتمی کبالت و تشکیل فاز مارتنزیت B19' در دماهای کمتر از ? C60- و ? C 150- به ترتیب برای آلیاژهای حاوی 4% و 8% اتمی کبالت، لذا میزان بهینه کبالت در آلیاژ Ti 50 Ni 50-x Co x ، 2% اتمی در نظر گرفته شد. نتایج آزمون آنالیز حرارتی DSC بر روی آلیاژ Ti 50 Ni 48 Co 2 نشان داد که این آلیاژ دارای استحاله B2?R?B19'حین سردکردن میباشد و دماهای استحاله آن در مقایسه با آلیاژ Ti 50 Ni 50 کمتر است. بررسیهای ریزساختاری به کمک میکروسکوپ الکترونی عبوری (TEM) نشان داد که در اثر نورد سرد، مخلوطی از فازهای آمورف و نانوساختار در هر دو آلیاژ Ti 50 Ni 50 و Ti 50 Ni 48 Co 2 ایجاد میشود. مشخص شد که تغییرشکل پلاستیکی شدید حین نورد سرد منجر به ایجاد چگالی بالایی از نابجاییها در ریزساختار آلیاژ شده و به دنبال انباشته شدن نابجاییها در پشت مرزهای دوقلویی، ساختار نانوکریستال تشکیل میگردد. در ادامه با افزایش میزان کرنش اعمالی و در نتیجه زیاد شدن چگالی نابجاییها، ساختار کریستالی ماده تخریب و فاز آمورف تشکیل میشود. با افزایش میزان نورد سرد در آلیاژهای Ti 50 Ni 50 و Ti 50 Ni 48 Co 2 از 20 تا 70%، بر استحکام تسلیم و استحکام کششی نهایی آلیاژها افزوده و از انعطافپذیری آن ها کاسته شد. در هر دو آلیاژ استحکام نهایی نمونه نورد سرد شده به میزان 70% کاهش ضخامت به بیش از MPa 1800 رسید. بررسیهای انجام شده به کمک TEM نشان داد که با انجام عملیات آنیل در دمای C ° 400 بر روی نمونه های نورد سرد شده حاوی فاز آمورف، آلیاژهای نانوساختار Ti 50 Ni 50 و Ti 50 Ni 48 Co 2 با اندازه دانه بین 10 تا 70 نانومتر تولید میشود. بررسیهای انجام شده با استفاده از آنالیز حرارتی غیرهمدما نشان داد که مکانیزم کریستالیزاسیون فاز آمورف در نمونههای نورد سرد شده را میتوان به صورت رشد فصل مشترک کنترل دانههای نانومتری هم محور در زمینه آمورف دانست که در این میان ذرات نانوکریستالی به جای مانده از مرحله نورد سرد درون فاز آمورف به صورت مکانهای هستهگذاری ناهمگن عمل مینمایند. نتایج نشان داد که انجام عملیات نورد سرد-آنیل و ایجاد ساختار نانوکریستال در آلیاژهایTi 50 Ni 50 وTi 50 Ni 48 Co 2 منجر به بهبود قابل ملاحظهای در رفتار مکانیکی آلیاژ چه از لحاظ وسیع تر شدن ناحیه مسطح تنش در نمودار تنش-کرنش و چه از لحاظ افزایش تنش لازم جهت استحاله آستنیت به مارتنزیت(? SIM ) میگردد. در آلیاژهایTi 50 Ni 50 وTi 50 Ni 48 Co 2 نورد سرد شده به میزان 70% کاهش ضخامت و آنیل شده، مقدار ? SIM به ترتیب به حدود MPa 615 و MPa 730 رسید. در آزمون ابرکشسانی، با افزایش میزان کاهش ضخامت حین عملیات نورد سرد، به طور پیوسته از میزان کرنش باقیمانده در نمونههای نورد سرد-آنیل شده کاسته شد به طوریکه در نمونههای نورد سرد شده به میزان 70% و آنیل شده، پس از باربرداری کرنش نسبتاً بزرگی به میزان 12% بازیابی شد. بهبود مشاهده شده در خاصیت ابرکشسانی آلیاژهایTi 50 Ni 50 وTi 50 Ni 48 Co 2 ناشی از افزایش مقاومت لغزشی فاز آستنیت در اثر انجام عملیات ترمومکانیکی و ایجاد ساختار نانوکریستال میباشد. همچنین آلیاژهای Ti 50 Ni 50 و Ti 50 Ni 48 Co 2 نانوساختار دارای بازده ذخیرهسازی انرژی و قابلیت جذب انرژی بیشتری در مقایسه با آلیاژ Ti 50 Ni 50 درشت دانه بودند. با افزایش درصد کاهش ضخامت در نمونههای نورد سرد-آنیل شده، میزان بازیابی کرنش ناشی از اثر حافظهداری نیز بهبود یافت به طوری که در نمونههای Ti 50 Ni 50 با کاهش ضخامت بیش از 40% و در نمونههای Ti 50 Ni 48 Co 2 با کاهش ضخامت بیش از 30%، تمامی تغییرشکل ایجاد شده در نمونهها پس از گرم کردن بازیابی شد. مقایسه دادههای مربوط به آزمون ابرکشسانی و حافظهداری آلیاژهای Ti 50 Ni 50 و Ti 50 Ni 48 Co 2 نشاندهنده تأثیر قابل توجه کبالت در بهبود خواص آلیاژ نایتینول