Skip to main content
SUPERVISOR
Rahmatollah Emadi,Ahmad KermanPour
رحمت اله عمادي (استاد راهنما) احمد کرمانپور (استاد راهنما)
 
STUDENT
Majid Abbasi
مجيد عباسي

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
چکيده پديده حافظه‌داري به توانايي برگشت شکل يک ماده تغيير شکل پلاستيک يافته به حالت اوليه يِ پيش از تغيير شکل، طي يک چرخه ي مکانيکي- حرارتي اطلاق مي‌شود. آلياژهاي پايه TiNi با توجه به رفتار حافظه داري و خواص مکانيکي مناسب پرکاربردترين سيستم آلياژي حافظه دار هستند. اخيراً آلياژهاي سه تايي پايه TiNi از قبيل TiNiNb و TiNiCu به‌صورت روزافزون موردتوجه قرار گرفته اند. در ميان عناصر آلياژي سوم، مس با تغيير در دماهاي تغيير حالت و کاهش هيسترزيس يکي از تأثيرگذارترين اين عناصر است. کاهش اندازه دانه در آلياژهاي حافظه دار خواص مکانيکي و رفتار حافظه داري را بهبود مي دهد. هدف اصلي اين پژوهش توليد و مشخصه يابي آلياژ حافظه‌دار Ti 50 Ni 45 Cu 5 با ساختار ميکروسکوپي نانومتري به روش نورد سرد-آنيل مي باشد. در اين راستا نمونه هاي آلياژ مذکور به روش ذوب القايي تحت خلأ در قايقک مسي ساخته شد. در مرحله بعد نمونه‌ها در دماي 900 تحت همگن سازي و نورد گرم قرار گرفتند. در مرحله آخر نمونه ها تحت عمليات آنيل در دماي 400 به مدت 1 ساعت قرار گرفتند. تحولات ريزساختاري و فازي به روش هاي متالوگرافي نوري و الکتروني، پراش پرتوايکس و آناليز حرارتي موردبررسي قرار گرفتند. خواص مکانيکي و رفتار حافظه داري نيز به کمک آزمون هاي کشش و خمش و سختي سنجي مورداندازه‌گيري قرار گرفت. طبق نتايج بررسي هاي متالوگرافي، آناليز حرارتي و پراش پرتوايکس، نمونه هاي با بالاتر از %50 نورد سرد، داراي ساختاري دوگانه هستند؛ زمينه اي با نانودانه هاي آستنيت در کنار ساختارهاي آمورف در باندهاي برشي. طبق نتايج XRD و آناليز حرارتي پس از آنيل ديگر ساختار آمورف (باند برشي) در نمونه ها وجود ندارد. حين فرايند آنيل، تبلور مجدد و کريستاليزاسيون فاز آمورف هر دو رخ دادند. در تغيير حالت آمورف-کريستالي حين قرايند آنيل پس از تغيير شکل، ساختار آمورف در باندهاي برشي به دانه هايي با ابعاد نانومتري تبديل مي شود. با افزايش درصد نورد سرد افزايش استحکام، چقرمگي و درصد بازيابي کرنش در نمونه ها رخ مي دهد. با افزايش درصد نورد از %20 به %70 استحکام نمونه ها تقريباً 2 برابر شده، درصد بازيابي کرنش از %86 به %100 رسيده و دماهاي بحراني حدود 20 کاهش يافته است. علت اصلي اين دو مورد را مي توان کاهش اندازه دانه دانست. کاهش اندازه دانه باعث مي شود مکانيزم غالب تغيير شکل دوقلويي شدن بوده و رخداد پديده حافظه داري تشديد مي شود. خواص مکانيکي و فيزيکي آلياژ Ti 50 Ni 45 Cu 5 در مقايسه با TiNi به شدت تغيير کرده است. براي مثال، استحکام کششي نمونه هاي Ti 50 Ni 45 Cu 5 حدود 500 مگا پاسکال بيشتر، سختي آن ها حدود 35 ويکرز کمتر و دماهاي بحراني شان حدود 20 بالاتر از TiNi است. نتيجه کلي اين پژوهش بهبود خواص مکانيکي و فيزيکي آلياژ Ti 50 Ni 45 Cu 5 در اثر عمليات ترمومکانيکي نورد سرد-آنيل مي باشد. کلمات کليدي آلياژ حافظه‌دار نايتينول، آلياژ Ti-Ni-Cu، عمليات ترمومکانيکي، ساختار فوق ريزدانه/نانوکريستال

ارتقاء امنیت وب با وف بومی