Skip to main content
SUPERVISOR
Rahmatollah Emadi,Ahmad KermanPour
رحمت اله عمادی (استاد راهنما) احمد کرمانپور (استاد راهنما)
 
STUDENT
Majid Abbasi
مجید عباسی

FACULTY - DEPARTMENT

دانشکده مهندسی مواد
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1391

TITLE

Evaluating the Effect of Thermo-mechanical Processing on Microstructure,Mechanical Properties and Shape Memory Behavior of a TiNiCu Shape Memory Alloy
: The shape memory effect is called to the ability to recovering the initial shape of a plastically deformed sample during a thermo-mechanical cycle. Recently, TiNi-based ternary alloys such as TiNiNb and TiNiCu have been increasingly considered. Copper is one of the important alloying elements which affects phase transformation temperatures and reduces hysteresis. On the other hand, it is reported that grain refinement in shape memory alloys could optimize mechanical properties and shape memory behavior. The main purpose of this research is to manufacture and characterize the nanostructured shape memory Ti 50 Ni 45 Cu 5 alloy by cold rolling-annealing process. Several samples of the alloy were produced by a copper-boat vacuum induction melting process. The as-cast samples were homogenized and hot rolled at 900 . The hot rolled samples were then cold rolled up to 70% thickness reduction. Finally, the samples were annealed at 400 about 1 hr. Microstructural and phase evolutions were conducted by optical and electron microscopy, X-ray diffraction and thermal analysis techniques. Mechanical properties and shape memory behaviors were evaluated using tensile, bending and hardness test methods. According to the results of metallography, thermal analysis and x-ray diffraction tests, the samples with the thickness reduction of higher than 50% had a bimodal structure: a matrix with Nano-grains of austenite along with the amorphous structure in shear bands. According to XRD and thermal analysis results, there was no amorphous structure (shear band) in the annealed samples. During the annealing process, recrystallization and crystallization of the amorphous structures occurred together. The amorphous structure in shear bands is supposed to change to the Nano-sized grains. By increasing cold rolling from 20 to 70%, the strength of samples became about twice, the shape recovery percentage increased from 86 to about 100%, and the critical temperatures were decreased about 20 . It is thought that the reason behind these variations is grain refinement. Grain refinement may cause twinning to be the predominant deformation mechanism, enhancing the shape memory effect. Mechanical properties of the Ti 50 Ni 45 Cu 5 alloy were also changed in comparison to the TiNi alloy. The tensile strength of the Ti 50 Ni 45 Cu 5 alloy was increased up to 500 MPa, but hardness was decreased about 35 HV; the critical temperatures were also decreased about 20 . This work clearly showed that thermo-mechanical processing of cold rolling–annealing could improve mechanical and shape memory properties of the Ti 50 Ni 45 Cu 5 alloy. Keywords: TiNiCu; Shape memory effect; Superelasticity; Thermomechanical processing; Nano-grained structure
پدیده حافظه‌داری به توانایی برگشت شکل یک ماده تغییر شکل پلاستیک یافته به حالت اولیه یِ پیش از تغییر شکل، طی یک چرخه ی مکانیکی- حرارتی اطلاق می‌شود. آلیاژهای پایه TiNi با توجه به رفتار حافظه داری و خواص مکانیکی مناسب پرکاربردترین سیستم آلیاژی حافظه دار هستند. اخیراً آلیاژهای سه تایی پایه TiNi از قبیل TiNiNb و TiNiCu به‌صورت روزافزون موردتوجه قرار گرفته اند. در میان عناصر آلیاژی سوم، مس با تغییر در دماهای تغییر حالت و کاهش هیسترزیس یکی از تأثیرگذارترین این عناصر است. کاهش اندازه دانه در آلیاژهای حافظه دار خواص مکانیکی و رفتار حافظه داری را بهبود می دهد. هدف اصلی این پژوهش تولید و مشخصه یابی آلیاژ حافظه‌دار Ti 50 Ni 45 Cu 5 با ساختار میکروسکوپی نانومتری به روش نورد سرد-آنیل می باشد. در این راستا نمونه های آلیاژ مذکور به روش ذوب القایی تحت خلأ در قایقک مسی ساخته شد. در مرحله بعد نمونه‌ها در دمای 900 تحت همگن سازی و نورد گرم قرار گرفتند. در مرحله آخر نمونه ها تحت عملیات آنیل در دمای 400 به مدت 1 ساعت قرار گرفتند. تحولات ریزساختاری و فازی به روش های متالوگرافی نوری و الکترونی، پراش پرتوایکس و آنالیز حرارتی موردبررسی قرار گرفتند. خواص مکانیکی و رفتار حافظه داری نیز به کمک آزمون های کشش و خمش و سختی سنجی مورداندازه‌گیری قرار گرفت. طبق نتایج بررسی های متالوگرافی، آنالیز حرارتی و پراش پرتوایکس، نمونه های با بالاتر از %50 نورد سرد، دارای ساختاری دوگانه هستند؛ زمینه ای با نانودانه های آستنیت در کنار ساختارهای آمورف در باندهای برشی. طبق نتایج XRD و آنالیز حرارتی پس از آنیل دیگر ساختار آمورف (باند برشی) در نمونه ها وجود ندارد. حین فرایند آنیل، تبلور مجدد و کریستالیزاسیون فاز آمورف هر دو رخ دادند. در تغییر حالت آمورف-کریستالی حین قرایند آنیل پس از تغییر شکل، ساختار آمورف در باندهای برشی به دانه هایی با ابعاد نانومتری تبدیل می شود. با افزایش درصد نورد سرد افزایش استحکام، چقرمگی و درصد بازیابی کرنش در نمونه ها رخ می دهد. با افزایش درصد نورد از %20 به %70 استحکام نمونه ها تقریباً 2 برابر شده، درصد بازیابی کرنش از %86 به %100 رسیده و دماهای بحرانی حدود 20 کاهش یافته است. علت اصلی این دو مورد را می توان کاهش اندازه دانه دانست. کاهش اندازه دانه باعث می شود مکانیزم غالب تغییر شکل دوقلویی شدن بوده و رخداد پدیده حافظه داری تشدید می شود. خواص مکانیکی و فیزیکی آلیاژ Ti 50 Ni 45 Cu 5 در مقایسه با TiNi به شدت تغییر کرده است. برای مثال، استحکام کششی نمونه های Ti 50 Ni 45 Cu 5 حدود 500 مگا پاسکال بیشتر، سختی آن ها حدود 35 ویکرز کمتر و دماهای بحرانی شان حدود 20 بالاتر از TiNi است. نتیجه کلی این پژوهش بهبود خواص مکانیکی و فیزیکی آلیاژ Ti 50 Ni 45 Cu 5 در اثر عملیات ترمومکانیکی نورد سرد-آنیل می باشد. کلمات کلیدی آلیاژ حافظه‌دار نایتینول، آلیاژ Ti-Ni-Cu، عملیات ترمومکانیکی، ساختار فوق ریزدانه/نانوکریستال

ارتقاء امنیت وب با وف بومی