SUPERVISOR
Fatallah Karimzadeh,Ahmad KermanPour
فتح اله کريم زاده (استاد راهنما) احمد کرمانپور (استاد راهنما)
STUDENT
Ehsan Mohammad sharifi
احسان محمدشريفي
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.
چکيده در اين پژوهش تأثير عمليات ترمومکانيکي بر تحولات ريزساختاري، رفتار استحالهاي و خواص ابرکشساني و حافظهداري آلياژهاي Ti 50 Ni 50 و TiNiCo مورد بررسي قرار گرفت. با توجه به نقايص روشهاي ذوب القايي در خلأ (از قبيل جذب کربن از بوته گرافيتي توسط مذاب و ايجاد رسوبات TiC در ساختار) و ذوب قوسي در خلأ (از قبيل عدم تلاطم مذاب و در نتيجه ايجاد جدايش و نياز به تکرار چندين باره عمليات ذوب)، در اين پژوهش از روش ذوب القايي تحت خلأ در قايقک مسي براي ريختهگري شمشهاي اوليه آلياژ Ti 50 Ni 50 و آلياژهاي Ti 50 Ni 50-x Co x با مقادير مختلف کسر اتمي کبالت (8 و4و2x=) استفاده شد. ويژگي اين روش عدم واکنش مذاب با بوته، تلاطم مناسب مذاب و يکنواختي ترکيب شيميايي شمش توليدي ميباشد. شمشهاي توليدي بعد از مرحله همگنسازي، تحت عمليات نورد گرم، نورد سرد و آنيل قرار گرفتند. در هر مرحله تحولات فازي، ريزساختاري و خواص مکانيکي نمونهها مورد ارزيابي قرار گرفت. با توجه به کاهش شديد دماهاي استحاله در آلياژهاي سهتايي با بيش از 2% اتمي کبالت و تشکيل فاز مارتنزيت B19' در دماهاي کمتر از ? C60- و ? C 150- به ترتيب براي آلياژهاي حاوي 4% و 8% اتمي کبالت، لذا ميزان بهينه کبالت در آلياژ Ti 50 Ni 50-x Co x ، 2% اتمي در نظر گرفته شد. نتايج آزمون آناليز حرارتي DSC بر روي آلياژ Ti 50 Ni 48 Co 2 نشان داد که اين آلياژ داراي استحاله B2?R?B19'حين سردکردن ميباشد و دماهاي استحاله آن در مقايسه با آلياژ Ti 50 Ni 50 کمتر است. بررسيهاي ريزساختاري به کمک ميکروسکوپ الکتروني عبوري (TEM) نشان داد که در اثر نورد سرد، مخلوطي از فازهاي آمورف و نانوساختار در هر دو آلياژ Ti 50 Ni 50 و Ti 50 Ni 48 Co 2 ايجاد ميشود. مشخص شد که تغييرشکل پلاستيکي شديد حين نورد سرد منجر به ايجاد چگالي بالايي از نابجاييها در ريزساختار آلياژ شده و به دنبال انباشته شدن نابجاييها در پشت مرزهاي دوقلويي، ساختار نانوکريستال تشکيل ميگردد. در ادامه با افزايش ميزان کرنش اعمالي و در نتيجه زياد شدن چگالي نابجاييها، ساختار کريستالي ماده تخريب و فاز آمورف تشکيل ميشود. با افزايش ميزان نورد سرد در آلياژهاي Ti 50 Ni 50 و Ti 50 Ni 48 Co 2 از 20 تا 70%، بر استحکام تسليم و استحکام کششي نهايي آلياژها افزوده و از انعطافپذيري آن ها کاسته شد. در هر دو آلياژ استحکام نهايي نمونه نورد سرد شده به ميزان 70% کاهش ضخامت به بيش از MPa 1800 رسيد. بررسيهاي انجام شده به کمک TEM نشان داد که با انجام عمليات آنيل در دماي C ° 400 بر روي نمونه هاي نورد سرد شده حاوي فاز آمورف، آلياژهاي نانوساختار Ti 50 Ni 50 و Ti 50 Ni 48 Co 2 با اندازه دانه بين 10 تا 70 نانومتر توليد ميشود. بررسيهاي انجام شده با استفاده از آناليز حرارتي غيرهمدما نشان داد که مکانيزم کريستاليزاسيون فاز آمورف در نمونههاي نورد سرد شده را ميتوان به صورت رشد فصل مشترک کنترل دانههاي نانومتري هم محور در زمينه آمورف دانست که در اين ميان ذرات نانوکريستالي به جاي مانده از مرحله نورد سرد درون فاز آمورف به صورت مکانهاي هستهگذاري ناهمگن عمل مينمايند. نتايج نشان داد که انجام عمليات نورد سرد-آنيل و ايجاد ساختار نانوکريستال در آلياژهايTi 50 Ni 50 وTi 50 Ni 48 Co 2 منجر به بهبود قابل ملاحظهاي در رفتار مکانيکي آلياژ چه از لحاظ وسيع تر شدن ناحيه مسطح تنش در نمودار تنش-کرنش و چه از لحاظ افزايش تنش لازم جهت استحاله آستنيت به مارتنزيت(? SIM ) ميگردد. در آلياژهايTi 50 Ni 50 وTi 50 Ni 48 Co 2 نورد سرد شده به ميزان 70% کاهش ضخامت و آنيل شده، مقدار ? SIM به ترتيب به حدود MPa 615 و MPa 730 رسيد. در آزمون ابرکشساني، با افزايش ميزان کاهش ضخامت حين عمليات نورد سرد، به طور پيوسته از ميزان کرنش باقيمانده در نمونههاي نورد سرد-آنيل شده کاسته شد به طوريکه در نمونههاي نورد سرد شده به ميزان 70% و آنيل شده، پس از باربرداري کرنش نسبتاً بزرگي به ميزان 12% بازيابي شد. بهبود مشاهده شده در خاصيت ابرکشساني آلياژهايTi 50 Ni 50 وTi 50 Ni 48 Co 2 ناشي از افزايش مقاومت لغزشي فاز آستنيت در اثر انجام عمليات ترمومکانيکي و ايجاد ساختار نانوکريستال ميباشد. همچنين آلياژهاي Ti 50 Ni 50 و Ti 50 Ni 48 Co 2 نانوساختار داراي بازده ذخيرهسازي انرژي و قابليت جذب انرژي بيشتري در مقايسه با آلياژ Ti 50 Ni 50 درشت دانه بودند. با افزايش درصد کاهش ضخامت در نمونههاي نورد سرد-آنيل شده، ميزان بازيابي کرنش ناشي از اثر حافظهداري نيز بهبود يافت به طوري که در نمونههاي Ti 50 Ni 50 با کاهش ضخامت بيش از 40% و در نمونههاي Ti 50 Ni 48 Co 2 با کاهش ضخامت بيش از 30%، تمامي تغييرشکل ايجاد شده در نمونهها پس از گرم کردن بازيابي شد. مقايسه دادههاي مربوط به آزمون ابرکشساني و حافظهداري آلياژهاي Ti 50 Ni 50 و Ti 50 Ni 48 Co 2 نشاندهنده تأثير قابل توجه کبالت در بهبود خواص آلياژ نايتينول