[論文レビュー] Functional Degradation and Self-enhanced Elastocaloric Cooling Performance of NiTi Tubes under Cyclic Compression

Dingshan Liang, Peng Hua+3 more|arXiv (Cornell University)|Jul 23, 2021

Shape Memory Alloy Transformations参考文献 52被引用数 4

ひとこと要約

本研究は、サイクル圧縮下におけるナノ結晶性NiTiチューブの機能的劣化が、逆説的にもエラストカリオニック冷却性能を向上させることを明らかにした。相転移に起因する不キッズと不キッズピン留されたマルテンサイトによる残留ひずみの蓄積が、ヒステリシスループ面積（D）と前向き転移応力の低減を引き起こし、結果としてDの減少に起因して、自己強化型の材料効率係数（COPmater）が40–104%向上した。

ABSTRACT

Superelastic NiTi tubes are promising candidates for eco-friendly elastocaloric cooling, but their cyclic stability suffers severely from functional degradation. Herein, we investigate the functional degradation of nanocrystalline NiTi tubes via in-depth analysis and find out that it is beneficial to elastocaloric cooling performance. The results show that the functional degradation accompanies with progressive accumulation of residual strain and significant reduction in both hysteresis loop area (D) and forward transformation stress. The accumulation of residual strain arises from phase-transition-induced dislocations and dislocation-pinned residual martensite. The former separates the original austenite grains to much smaller nanodomains (equivalent to grain size effect) and contributes to the strain hardening during phase transition, leading to the significant reduction of D. The latter induces compressive residual stress in the austenite phase and thus gives rise to the evolutive reduction of forward transformation stress. Consequently, the material coefficient of performance (COPmater) was self-enhanced for 40~104 %. The beneficial effect is mainly because of the cyclically-decreased D. The study might provide a processing route to tailor COPmater and stabilize the mechanical response of NiTi by cyclic compression.

研究の動機と目的

• サイクル圧縮下における超弾性ナノ結晶性NiTiチューブの機能的劣化のメカニズムを調査すること。
• 残留ひずみおよび微細組織の変化がエラストカリオニック性能に与える影響を特定すること。
• 機能的劣化が形状記憶合金ベースの冷却システムにおける冷却効率を向上させることに活用可能かどうかを評価すること。
• サイクル圧縮が、NiTiチューブにおける機械的応答の安定化とCOPmaterの向上を図る処理プロセスとしての可能性を検討すること。

提案手法

• 繰り返しサイクル圧縮試験を実施した後、NiTiチューブの詳細な微細組織および機械的特性分析。
• 相転移挙動および残留ひずみ蓄積を追跡するためのインシチュX線回折および走査型電子線回折（EBSD）の使用。
• サイクルごとのヒステリシスループ面積（D）および前向き転移応力の変化の定量的評価。
• ナノドメインや不キッズ密度といった微細組織特徴と機械的・熱力学的応答の相関関係の分析。
• 冷却性能向上の評価のため、材料効率係数（COPmater）の計算。
• X線回折を用いた残留応力状態の分析および、その転移応力への影響のモデル化。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 サイクル圧縮はナノ結晶性NiTiチューブにどのように機能的劣化を引き起こすか？
• RQ2 観察されたヒステリシスループ面積（D）および前向き転移応力の低減に寄与する微細組織的変化は何か？
• RQ3 機能的劣化はエラストカリオニック冷却における材料効率係数（COPmater）をどの程度向上させるか？
• RQ4 相転移に起因する残留ひずみの蓄積を、エラストカリオニック性能の向上に活用可能か？
• RQ5 不キッズピン留されたマルテンサイトおよび粒子成長は、COPmaterの自己強化にどのような役割を果たすか？

主な発見

• 相転移に起因する不キッズと不キッズピン留されたマルテンサイトにより、サイクル圧縮中に残留ひずみが進行的に蓄積される。
• ナノドメインの形成に起因する加工硬化が、結晶粒径効果を模倣する形で、ヒステリシスループ面積（D）が顕著に低減する。
• 不キッズピン留されたマルテンサイトに起因する圧縮残留応力がアスタナイト相に蓄積されることで、前向き転移応力がサイクルに伴い低下する。
• ヒステリシスループ面積（D）がサイクルに伴い減少することに起因して、材料効率係数（COPmater）が40–104%向上し、自己強化型の冷却性能向上が示された。
• COPmaterへの有益な効果は、主にヒステリシス損失の低減に起因し、転移エントロピーまたは温度範囲の変化とは無関係である。
• サイクル圧縮は、NiTiチューブにおけるCOPmaterの調整および機械的応答の安定化を図る処理プロセスとして利用可能である。