[論文レビュー] Martensitic transformation induced by cooling NiTi wire under various tensile stresses: martensite variant microstructure, textures, recoverable strains and plastic strains

Ondřej Tyc, Xiaohui Bian+4 more|arXiv (Cornell University)|Jun 21, 2024

Shape Memory Alloy TransformationsMaterials Science被引用数 3

ひとこと要約

本研究は、冷却中の引張応力がナノ結晶性NiTiワイヤにおけるマルテンサイト転移（MT）に与える影響を調査し、100 MPaを超える応力が単一ドメイン（001）複合タングステンを形成させ、約200 MPaで回収可能なひずみが約5%に最大値に達し、さらに応力に依存する塑性ひずみをディスlocationスリップおよびキントバンド形成によって発生させることを明らかにした。研究結果は、外部応力がマルテンサイトバリアエントの再配列と形状記憶合金における転移メカニズムの制御に果たす役割を明確にした。

ABSTRACT

To understand how martensitic transformation (MT) in polycrystalline NiTi shape memory alloy (SMA) proceeds under external stress, we evaluated recoverable transformation strains and plastic strains generated by the forward MT in nanocrystalline NiTi wire cooled under tensile stresses 0-600 MPa, determined textures in martensite and reconstructed martensite variant microstructures within the selected grains of the cooled wire. The obtained findings show that the forward MT proceeding under external stresses gives rise to characteristic recoverable transformation strains, plastic strains, martensite variant microstructures and martensite textures. MT occurring upon cooling under stresses exceeding 100 MPa creates martensite variant microstructures consisting of single domain of partially detwinned laminate of (001) compound twins filling entire grains. The recoverable transformation strain increases with increasing stress, reaches maximum ~5% at ~200 MPa stress, and remains constant with further increasing stress up to 600 MPa. Starting from 100 MPa stress, the forward MT generates also plastic strains, the magnitude of which also increases with increasing stress. We propose that, in the absence of external stress, the forward MT takes place via propagation of strain compatible habit plane interfaces between austenite and second order laminate of (001) compound twins. When the forward MT takes place under external tensile stress, it occurs equally, but the newly created martensite immediately reorients into single domains of (001) compound twins, partially detwins and deforms plastically under the action of the external stress. The plastic strain generated by the forward MT upon cooling under stress is attributed to the [100](001) dislocation slip in martensite at low stresses and plastic deformation of martensite by kwinking at high stresses.

研究の動機と目的

• 多結晶性NiTi形状記憶合金（SMA）ワイヤにおける応用引張応力がマルテンサイト転移（MT）に与える影響を理解すること。
• 応用引張応力（0–600 MPa）の変動に応じた、前向きMT中の回収可能な変形ひずみと塑性ひずみを定量すること。
• 外部応力下での冷却中に形成されるマルテンサイトバリアエント微細組織およびテクスチャーを特徴づけること。
• MT中におけるマルテンサイト再配列および応力下での塑性変形のメカニズムを解明すること。

提案手法

• 0～600 MPaの制御された引張応力をかけながらナノ結晶性NiTiワイヤを冷却し、前向きマルテンサイト転移を誘起する。
• 個々の結晶粒内におけるマルテンサイトバリアエント微細組織を再構築するために電子線バックサトレーションドリフト（EBSD）を用いる。
• 方位マッピングおよび結晶学的解析を用いてマルテンサイト相におけるテクスチャー発展を分析する。
• 冷却中のインシチュまたはエクスキューシュのひずみ測定から、回収可能な変形ひずみおよび塑性ひずみを測定する。
• 微細組織の進化を応力依存の転移挙動および変形メカニズムと関連付ける。
• 観察された微細組織およびひずみデータに基づき、忤力誘起マルテンサイト再配列および塑性変形の機構的モデルを提唱する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 冷却中の応用引張応力は、NiTiワイヤにおけるマルテンサイトバリアエント微細組織にどのように影響するか？
• RQ2 応用引張忢力とNiTiワイヤにおける回収可能な変形ひずみの大きさの関係は何か？
• RQ3 前向きマルテンサイト転移中に、塑性ひずみが顕著に寄与し始める応力レベルはどの程度か？
• RQ4 引張応力下におけるマルテンサイトにおける塑性ひずみを引き起こす主な変形メカニズムは何か？
• RQ5 冷却中の異なる引張荷重条件下で、マルテンサイト相のテクスチャーはどのように進化するか？

主な発見

• 回収可能な変形ひずみは応力の増加に伴い増加し、約200 MPaで約5%のピークに達し、600 MPaまで一定に保たれる。
• 100 MPaを超える引張応力で塑性ひずみが発生し、さらに応力が上昇するに従って増加する。
• 100 MPaを超える応力下では、マルテンサイトが部分的デットゥーニングを伴う単一ドメイン（001）複合タングステンを形成し、応力誘起再配列を示している。
• 応力下での前向きマルテンサイト転移は、零応力条件下でのひずみ適合性の慣性面インターフェースメカニズムとは異なり、新たに生成されたマルテンサイトが即座に単一ドメイン（001）複合タングステンに再配列することによって進行する。
• 低応力域（約200 MPaまで）における塑性変形は、マルテンサイト内の[100](001)ディスlocationスリップに起因すると考えられ、高応力域ではキントバンド（キニング）メカニズムが支配的である。
• 微細組織の進化は、外部応力がタングステン形成を抑制し、単一ドメインマルテンサイトの直接的形成を促進することで、転移経路を変化させることを示している。