new5 free

اثر عملیات حرارتی پیرسازی بر ریزساختار و خواص مکانیکی آلیاژ نیکل تیتانیم غنی از نیکل-5/57 درصد وزنی نیکل

59.000تومان

توضیحات

دانلود و مشاهده قسمتی از متن کامل پایان نامه :

دانشگاه صنعتی خواجه نصیرالدین طوسی

دانشکده مکانیک دانشگاه صنعتی خواجه نصیرالدین طوسی

پایان نامه جهت اخذ درجه کارشناسی ارشد در رشته

 مهندسی مواد، گرایش روش شناسایی و انتخاب مواد مهندسی

عنوان پایان نامه

اثر عملیات حرارتی پیرسازی بر ریزساختار و خواص مکانیکی آلیاژ نیکل تیتانیم غنی از نیکل-5/57 درصد وزنی نیکل

 

استاد راهنما: دکتر علی شکوه­فر

نگارش: …………….

زمستان 88

 

به نام خدا

دانشگاه صنعتي خواجه نصیرالدین طوسی

دانشکده مکانیک

گروه مواد و متالورژی (گرایش انتخاب و شناسایی مواد)

رسالة کارشناسي ارشد

عنوان:

اثر عملیات حرارتی پیرسازی بر ریزساختار و خواص مکانیکی آلیاژ نیکل تیتانیم غنی از نیکل(5/57 درصد وزنی نیکل)

نگارش:  …………………

کمیته ممتحنين:

استاد راهنما: پرفسور علی شکوه­فر                   امضاء:

.  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .

استاد ممتحن: دکتر سیادتی                        امضاء:

.  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .

استاد ممتحن: دکتر اسلامی فارسیانی             امضاء:

.  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .

تاریخ .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .

چکیده:

آلیاژ های نیکل تیتانیم به خاطر خواص ترمومکانیکی، سوپرالاستیکی و حافظه داری ویژه ای که دارند، از شهرت زیادی برخوردارند. این آلیاژها به دلیل دارا بودن مقاومت به خوردگی بالاو سازگاری خوب با بدن، کاربرد گسترده ای در مصارف پزشکی مانند سیم های ارتودنسی و تجهیزات اورتوپدی و جراحی پیدا کرده اند. در سال های اخیر توسعه و رشد کاربردهای آلیاژهای نیکل تیتانیم در موارد صنعتی و تجاری نیز دیده می شود. قاب های عینک، آنتن تلفن همراه، پوشش سیل کننده فشار بالا در انژکتور سوخت دیزلی و محافظ باتری لیتیم از موارد این کاربردها هستند.رفتار حافظه داری گرمایی و مکانیکی در این آلیاژها بستگی مستقیم به استحاله مارتنزیتی آنها دارد. آلیاژهای نیکل تیتانیمی که بیش از 55 درصد وزنی نیکل دارند در طول پیرسازی رسوبات Ni4Ti3، Ni3Ti2 و Ni3Ti ایجاد می کنند. ذرات رسوب حاصل و تغییرات ترکیب شیمیایی زمینه، تاثیر زیادی بر استحاله مارتنزیتی و خواص مکانیکی آلیاژ دارند. هر رسوبی در آلیاژ غنی از نیکل برای ایجاد شدن، محدوده دمایی و زمانی خود را دارد. بنا براین می توان پیرسازی را به نحوی انجام داد که خواص مکانیکی و خواص حافظه داری مورد نظر حاصل شود. در این پروژه، اثر دما و زمان پیرسازی بر ریز ساختار و خواص مکانیکی آلیاژ نیکل تیتانیم با 5/57 درصد وزنی نیکل بررسی شد. به این منظور پس از ریخته گری آلیاژ مورد نظر و تهیه شمش، ابتدا به بررسی دما و زمان مناسب همگن سازی پرداخته شد که دمای oC1100 و زمان 4 ساعت برای این منظور انتخاب گردید. سپس شرایط بهینه عملیات محلولی بررسی گردید که در این حالت دمای oC1100 و زمان 1 ساعت نتیجه مطلوب را حاصل کرد. محدود دمایی 400 تا oC700 به عنوان محدوده دمایی عملیات پیرسازی انتخاب گردید و نمونه ها در زمان های 5/0، 1، 8 و 16 ساعت تحت عملیات پیرسازی قرار گرفتند. استحکام نهایی بهینه به همراه داکتیلیته مناسب در دمای oC 500 و زمان 16 ساعت حاصل شد. بررسی نتایج سختی نشان می دهد که با افزایش زمان عملیات حرارتی سختی نمونه ها کاهش یافته است و همچنین سختی نمونه های عملیات محلولی شده به دلیل ایجاد زمینه فوق اشباع از نیکل، بالاتر است.

کلمات کلیدی: آلیاژ نیکل تیتانیم غنی از نیکل، پیر سازی، خواص مکانیکی، استحاله مارتنزیتی، همگن سازی

فهرست مطالب

فصل اول مقدمه…………………………………………………………………………………………………………………………1

فصل دوم مروری بر منابع…………………………………………………………………………………………………………..4

          1-2 تاریخچه و کاربرد…………………………………………………………………………………………………..5

          2-2 ذوب و ریخته گری آلیاژ NiTi……………………………………………………………………………….6

          3-2 فازهای ثانویه در آلیاژهای NiTi غنی از Ni……………………………………………………………..7

          4-2 رسوب Ni4Ti3 …………………………………………………………………………………………………..12

          5-2 عملیات حرارتی(پیرسازی) …………………………………………………………………………………..15

                   1-5-2  مقدمه ای بر وجود فاز R……………………………………………………………………..15

                   2-5-2  استحاله فازی مارتنزیتی دو مرحله ای و سه مرحله ای……………………………..16

                    3-5-2 توضیحات ریز ساختاری و کریستالوگرافی……………………………………………….20

          6-2 بررسی خواص مکانیکی………………………………………………………………………………………..23

                   1-6-2 خاصیت سوپرالاستیکی………………………………………………………………………….23

                   2-6-2  اثر حافظه داری…………………………………………………………………………………..24

                   3-6-2  بررسی رفتار سوپر الاستیسیته آلیاژ NiTi55…………………………………………..30

                   4-6-2 اثر دمای پیرسازی بر تنش تسلیم…………………………………………………………….36

                   5-6-2  اثر اندازه رسوبات بر رفتار تنش-کرنش………………………………………………….37

                   6-6-2 سختی در آلیاژ های NiTi غنی از نیکل………………………………………………….39

                             1-6-6-2 سختی در آلیاژ های NiTi غنی از نیکل………………………………….39                      2-6-6-2 اثر عملیات حرارتی برروی سختی………………………………………….39

فصل سوم روش انجام آزمایش………………………………………………………………………………………………….42

          1-3 ریخته گری………………………………………………………………………………………………………….43

          2-3 عملیات همگن سازی و محلول سازی…………………………………………………………………….46

          3-3 تست DSC ……………………………………………………………………………………………………….47

          4-3 نورد……………………………………………………………………………………………………………………48

          5-3 نمونه سازی…………………………………………………………………………………………………………49

          6-3 عملیات حرارتی……………………………………………………………………………………………………49

          7-3 بررسی ریزساختاری……………………………………………………………………………………………..52

          8-3 تست کشش و سختی……………………………………………………………………………………………52

فصل چهارم نتایج و بحث…………………………………………………………………………………………………………54

          1-4 همگن سازی و بررسی ریزساختاری……………………………………………………………………….55

                   1-1-4 اثر محیط سرد کنندگی بر رفتار استحاله ای………………………………………………66

          2-4 محلول سازی……………………………………………………………………………………………………….68

          3-4 سختی نمونه های همگن شده و عملیات محلولی شده………………………………………………70

          4-4 عملیات حرارتی پیرسازی………………………………………………………………………………………73

          5-4 سختی……………………………………………………………………………………………………………….105

5- نتیجه گیری و پیشنهادات…………………………………………………………………………………………………..108

پیوست1: لیست مقالات ارائه شده……………………………………………………………………………………………111

مراجع و مآخذ…………………………………………………………………………………………………………………….. 112

چکیده انگلیسی…………………………………………………………………………………………………………………… 115

فهرست شکل ها

شکل1-2 دیاگرام دیاگرام فازی آلیاژ دوتایی NiTi ………………………………………………………………………9

شکل2-2 دیاگرام TTT آلیاژ NiTi52 …………………………………………………………………………………….11

شکل3-2 تصویر الکترونی رسوبات Ni4Ti3 در آلیاژ Ti-51Ni پیرشده در k773 برای ks540………12

شکل4-2 توزیع همگن رسوبات Ni4Ti3 (براساس تعداد ذرات بر واحد حجم) بعد از 1 ساعت پیرسازی همراه با تنش در oC500 و MPa8. نواحی مرز دانه و داخل دانه توسط مونتاژ تصویر TEM نمایش داده شده اند……………………………………………………………………………………………………………….. 14

شکل5-2 شکل گیری واریانت های کریستالوگرافی Ni4Ti3  نزدیک و دور از مرز دانه………………….14

شکل6-2 پایداری فاز B2،R و B19’ در آلیاژ دوتایی NiTi غنی از نیکل. وجود موانع (رسوبات، نابجایی ها) شکل گیری B19’ را ازنظر انرژی مشکل می کند در حالی که بر شکل گیری فاز R تاثیری ندارد………………………………………………………………………………………………………………………………………17

شکل7-2 منحنی شماتیک DSC که دو پیک گرمازا در هنگام سرد کردن و یک پیک در هنگام گرم کردن از خود نشان می دهد…………………………………………………………………………………………………….. 18

شکل8-2 تغییر اجزای منحنی DSC از دو مرحله در زمان کوتاه پیرسازی به سه مرحله در  زمان های متوسط و سپس برگشت به دو مرحله در زمان های خیلی طولانی پیرسازی…………………………………….19

شکل9-2 نمایش شماتیکی از تئوری های استحاله چند مرحله ای:a) تئوری ریزساختاری که در آن مرز دانه های فرعی باعث ایجاد مانع بر سر راه رشد B19’ می شود[28و27]. B) استحاله مارتنزیتی چند مرحله ای به دلیل میدان های تنشی پیوسته در اطراف رسوبات. حتی اگر تنش قوی نباشد، تغییر در مقدار نیکل می تواند دلیل این پدیده باشد…………………………………………………………………………………………. 21

شکل10-2a)ریزساختار TEM آلیاژ NiTi غنی از نیکل پلی کریستال با رسوبات نا همگن   b) منحنی DSC مربوطه که سه پیک را درهنگام سرد کردن نشان می دهد …………………………………………………..22

شکل 11-2 رسوب ترجیحی فاز Ni4Ti3 در مرز دانه و نزدیک Ti4Ni2O در داخل دانه بعد از پیرسازی در a) 1 ساعت و b) 10 ساعت…………………………………………………………………………………. 23

شکل12-2 نمایش شماتیک استحاله حافظه داری………………………………………………………………………. 24

شکل13-2 مدل ساده شده استحاله مارتنزیتی………………………………………………………………………………25

شکل14-2 دیاگرام سه بعدی تنش-کرنش-دما برای نایتینول…………………………………………………………26

شکل15-2 منحنی تنش کرنش نمونه NiTi51 آنیل محلولی شده………………………………………………….27

شکل16-2 منحنی های تنش کرنش نمونه های پیرسخت شده در زمان های a)10،b)20،c)30،d)60 و e)120 دقیقه…………………………………………………………………………………………………………………………. 29

شکل17-2a)تاثیر زمان پیرسختی بر تنش پلاتو بالایی b) تاثیر زمان پیرسختی بر تنش پلاتو پایینی……29

شکل18-2a)تصویراپتیکی نمونه NiTi55 AR. b,c) تصویر TEM رسوب Ni3Ti و d) حضور رسوب Ni3Ti در ساختار AR. به تغییر شکل شدید رسوبات Ni3Ti  به دلیل نورد گرم اولیه توجه شود……………………………………………………………………………………………………………………………………….31

شکل19-2 تصویراپتیکی a)نمونه NiTi50 AR. b,) نمونه NiTi50 آنیل محلولی شده (oC1100) و کوئنچ شده در آب، به مارتنزیت دوقلویی توجه شود. c)نمونه NiTi55 محلولی شده (oC1100) و کوئنچ شده در آب d) نمونه NiTi55 محلولی شده (oC1100) و سرد شده در کوره. به رسوب Ni3Ti شکل گرفته در مرز و داخل دانه توجه شود…………………………………………………………………………………32

شکل20-2 منحنی های تنش کرنش کششی نیمه استاتیک برای NiTi55 و NiTi50 برای شرایط عملیات   حرارتی AR و ST. منحنی های فشار برای نیز برای NiTi55 ودر شرایط ST رسم شده است. …………………………………………………………………………………………………………………………………….33

شکل21-2 منحنی های تنش کرنش کششی تحت عملیات HT-1 برای نمونه های a) NiTi55 و b) NiTi50………………………………………………………………………………………………………………………………..34

شکل22-2 منحنی های تنش کرنش کششی برای NiTi55 تحت عملیات HT-2,3 در شرایط a)تک مرحله ای و b) دومرحله ای……………………………………………………………………………………………………..35

شکل23-2 a)منحنی تنش کرنش فشاری و کششی برای نمونه NiTi55 عملیات محلولی شده و پیرشده برای h24. اطلاعات کشش به صورت بزرگ شده نشان داده شده است. تصاویر نمونه های NiTi55 که ایتدا عملیات محلولی شده و سپس در زمان h24 و دردماهای b) oC600، c) oC700 و d) oC800 پیرشده اند. در شکل b و c به دلیل وجود رسوبات بسیار بزرگ کل دانه را فراگرفته اند. در شکل d مرز دانه به صورت بلوکی شکل است و رسوبات Ni3Ti سوزنی شکل در داخل دانه تشکیل شده اند و منطقه PFZ در نزدیکی مرزهای دانه دیده می شود……………………………………………………………………..36

شکل24-2 اثر عملیات حرارتی بر تنش تسلیم فاز مادر………………………………………………………………..37

شکل25-2 منحنی تنش کرنش کششی برای نمونه NiTi 50.9 نورد گرم شده، دردمای اتاق. دما برروی شکل مشخص است. خط چین مقدار کرنش قابل بازیابی را در هنگام گرم کردن نشان می دهد…………38

شکل26-2 فرآیند لازم برای رسیدن به سختی و خاصیت سوپرالاستیک برای آلیاژ NiTi55 ……………40

شکل27-2 سختی مارتنز به عنوان تابعی از دمای عملیات حرارتی برای دو حالت a)نورد گرم و b)کشش سیم سرد…………………………………………………………………………………………………………………. 41

شکل1- 3 تصویر بوته مورد استفاده (در حال چیدن مواد اولیه)…………………………………………………….44

شکل2-3 نحوه چیدمان مواد شارژ درون بوته (نیکل در کناره ها و تیتانیوم در وسط بوته)………………..45

شکل3-3 نمایی از شمش پله دار (اصلاح شده) با تغذیه (مشخص شده)………………………………………..45

شکل 4-3 فلوچارت انجام آزمایش های همگن سازی…………………………………………………………………46

شکل5-3 تیغه تهیه شده از شمش نورد شده……………………………………………………………………………….49

شکل6-3 نمونه تست کشش تهیه شده……………………………………………………………………………………….49

شکل7-3 مشخصات نمونه های پیرسازی شده و نام گذاری آنها……………………………………………………50

شکل8-3 سيکل پيرسازي اعمالي بر روي نمونه ها………………………………………………………………………51

شکل9-3 کوره مورد استفاده به منظور انجام عمليات آنيل انحلالي که لوله کوارتزي متصل به گاز آرگون داخل آن قرار می گیرد……………………………………………………………………………………………………………..51

شکل10-3 ابعاد داده شده در استاندارد ASTM E8 برای کشش نمونه های تخت…………………………53

شکل 1-4 ریز ساختار ریختگی آلیاژ………………………………………………………………………………………….56

شکل 2-4 تصویر SEM نمونه ریختگی…………………………………………………………………………………….57

شکل 3-4 آنالیز Map و منطقه ای که آنالیز در آن در نمونه ریختگی انجام شده است. نقاط قرمز رنگ در تصویر توزیع نیکل در ساختار را نشان می دهد…………………………………………………………………….. 58

شکل 4-4 تصویر متالوگرافی نمونه همگن شده در دمای oC1100 و زمانهای الف) 5/0، ب) 1، ج)2 و د)4 ساعت……………………………………………………………………………………………………………………………..59

شکل5-4 تصویر نمونه ای که مدت 4 ساعت همگن شده است(x400)…………………………………………60

شکل6-4 تصاویر مربوط به نمونه های الف) 5/0 و ب) 1 ساعت در بزرگنمایی x100………………….. 61

شکل7-4 تصاویر مربوط به نمونه های الف) 2 و ب) 4 ساعت در بزرگنمایی x400……………………….62

شکل 8-4 تصویر SEM نمونه ای که به مدت 5/0 همگن شده و در کوره سرد شده است با دو بزرگنمایی ……………………………………………………………………………………………………………………………..64

شکل 9-4 آنالیز خطی EDX از رسوب شکل 8-4 ……………………………………………………………………65

شکل 10-4 منحنی های DSC را برای نمونه های همگن شده A تا D ……………………………………….66

شکل 11-4 مراحل انجام عملیات محلولی …………………………………………………………………………………68

شکل 12-4 تصاویر متالوگرافی نمونه های عملیات محلولی: الف)5/0 ساعت، ب) 1 ساعت، ج) 2 ساعت عملیات محلولی…………………………………………………………………………………………………………….69

شکل13-4 نتایج سختی نمونه های همگن شده و سرد شده در هوا ………………………………………………71

شکل14-4 نتایج سختی نمونه های همگن شده و سرد شده در کوره……………………………………………..72

شکل15-4 نتایج سختی نمونه های عملیات محلولی شده…………………………………………………………….72

شکل16-4 مشخصات نمونه های پیرسازی شده و نام گذاری آنها ………………………………………………..75

شکل17-4 ريز ساختار مربوط به نمونه های: الف) As-received ب)A و ج)M در بزرگنماییx100……………. ……………………………………………………………………………………………………….76

شکل18-4 منحنی تنش کرنش مربوط به نمونه های: الف) As-received ب)A و ج)M …………….77

شکل 19-4 تصویر الف)ریزساختاری و ب) SEM و ج) منحنی تنش کرنش نمونه B …………………..78

شکل20-4 دیاگرام TTT آلیاژ NiTi57 …………………………………………………………………………………..80

شکل 21-4 ریز ساختار نمونه K در دو بزرگنمایی الف) x100 و ب) x500…………………………………81

شکل 22-4 ریز ساختار نمونه K در دو بزرگنمایی الف) x200 و ب) x500 ………………………………..82

شکل 23-4 تصویر SEM نمونه K …………………………………………………………………………………………83

شکل 24-4 آنالیز EDX از رسوبات مشخص شده در تصویر SEM شکل 23-4  ………………………..84

شکل 25-4 تصویر متالوگرافی نمونه N(عملیات محلولی +پیر سازی در دمای oC700 و زمان 1ساعت)…………………………………………………………………………………………………………………………………85

شکل 26-4 منحنی تنش کرنش نمونه: الف) K و ب)N ……………………………………………………………..86

شکل 27-4 ریزساختار نمونه عملیات حرارتی شده: الف)L و ب)O…………………………………………….87

شکل 28-4 نمودار تنش کرنش مربوط به نمونه الف) L و ب)O …………………………………………………88

شکل 29-4 تصویر SEM رسوب Ni3Ti2 را در نمونه L ………………………………………………………….89

شکل 30-4 تصویر متالوگرافی نمونهD: الف)x200 و ب)x500  و ج)تصویر SEM …………………….91

شکل 31-4 نمودار تنش کرنش نمونه D …………………………………………………………………………………..92

شکل 32-4 تصویر متالوگرافی نمونهE: الف)x200 و ب)x500  و ج)تصویر SEM ……………………..93

شکل 33-4 نمودار تنش کرنش نمونه E ……………………………………………………………………………………94

شکل 34-4 تصویر متالوگرافی نمونهF: الف)x200 و ب) تصویر SEM ………………………………………95

شکل 35-4 نمودار تنش کرنش نمونه F ……………………………………………………………………………………96

شکل 36-4 تصویر متالوگرافی نمونهH: الف)x200 و ب)x500  و ج)تصویر SEM …………………….97

شکل 37-4 نمودار تنش کرنش نمونه H …………………………………………………………………………………..98

شکل 38-4 تصویر متالوگرافی نمونهI: الف)x200 و ب)x500  و ج)تصویر SEM ………………………99

شکل 39-4 نمودار تنش کرنش نمونه I …………………………………………………………………………………..100

شکل 40-4 تصویر متالوگرافی نمونهJ: الف)x200 و ب)x500  و ج)تصویر SEM …………………….101

شکل 41-4 نمودار تنش کرنش نمونه j……………………………………………………………………………………102

شکل 42-4 مدول یانگ بر حسب دمای پیرسازی………………………………………………………………………104

شکل 43-4 منحنی تغییرات انرژی جذب شده تا شکست  برای دو دمای 500 و oC600……………….104

شکل 44-4 تغییرات سختی در دمای ثابت oC600……………………………………………………………………106

شکل45-4 تغییرات سختی در زمان ثابت 1 ساعت و 8 ساعت …………………………………………………..106

فهرست جداول:

جدول1-2 برنامه پیرسازی برای آلیاژهای NiTi55 و NiTi50 ……………………………………………………33

جدول2-2 سختی و وزن از دست رفته در اثر سایش برای درصد مختلف نیکل………………………………39

جدول1-3 مشخصات نیکل و تیتانیوم مورد استفاده……………………………………………………………………..43

جدول2-3 مشخصات سیستم قدرت کوره …………………………………………………………………………………44

جدول3-3 رژیم حرارتی استفاده شده در آنالیز DSC …………………………………………………………………47

جدول4-3 پارامترهای مربوط به نورد شمش از آلیاژ 5/57 درصد وزنی نیکل …………………………………48

جدول5-3 ابعاد استفاده شده برای ساخت نمونه کشش………………………………………………………………..53

جدول 1-4 دماهای استحاله برای نمونه های همگن شده و سرد شده در کوره………………………………..67

جدول2-4 نتایج سختی نمونه های همگن سرد شده در هوا(air) و کوره(Fur.) و نمونه های عملیات محلولی(Wat.) …………………………………………………………………………………………………………………….70

جدول3-4 نتایج خواص مکانیکی استخراج شده از نمودارهای تنش – کرنش……………………………….103

جدول 4-4 نتایج سختی نمونه های عملیات حرارتی شده………………………………………………………….105

 

فصل اول

مقدمه

1 مقدمه

آلیاژهای حافظه‌دار[1] دسته‌ای از آلیاژ‌ها با قابلیت منحصر به فرد بازیابی مقادیر قابل توجهی از تغییر فرم خود (تا حدود 8%) هستند. در این حالت نمونه می‌تواند تحت تنش‌های وارده در حد مجاز تغییر شکل دهد و مجدداً با حرارت دادن به شکل اولیه خود باز گردد؛ یا پس از برداشتن بار مکانیکی به صورت الاستیک به شکل نخستین خود باز گردد. در حالت اول پدیده حافظه‌داری[2] و در حالت دوم پدیده سوپر الاستیک[3] و یا شبه الاستیک[4] رخ داده است. وجود خواص حافظه‌داری و سوپرالاستیک در آلیاژهای با نسبت اتمی مساوی (معمولاً غنی‌تر از نیکل) از Ni و Ti دیده می‌شود. اما به علت پایداری فاز بین‌فلزی NiTi در یک محدوده ترکیبی، آلیاژهای متعددی با ترکیب‌های غیر استوکیومتری وجود دارند. مقاومت به سايش بالا، مقاومت به خوردگي مناسب و قابليت سازگاري با بدن موجودات زنده از ديگر خواص آلياژهاي حافظه‌دار NiTi است. اين آلياژها همچنين به واسطه قابليت ميرايي[5] بالايي که دارند در کاربردهاي مرتبط با جذب ارتعاشات نيز به فراوانی مورد استفاده قرار مي‌گيرند .وجود این خواص مطلوب مهندسی در این ماده، نایتینول را به عنوان آلیاژی مناسب برای کاربرد‌های پیشرفته معرفی می­کند. خاصیت میرایی این آلیاژ اندکی کمتر از ویسکرهایی نظیر اکریلیک و لاستیک است ولی نسبت به مواد مذکور دارای استحکام و مدول الاستیک بالاتری مي‌باشد. آلیاژهای با نسبت اتمی مساوی از نیکل و تیتانیم و معمولاً غنی‌تر از نیکل به علت امکان کنترل فرایند استحاله با استفاده ازعملیات حرارتی و پیرسازی، برای تولید آلیاژ نایتینول بیشتر مد نظر می‌باشند. پديده حافظه­داری به علت سهولت انجام استحاله مارتنزيتی و برگشت­پذيری آسان آن می باشد. عمليات حرارتي آلياژهاي NiTi اغلب به منظور بهينه کردن خواص مکانيکي اجزا و قطعات ساخته شده از آن و نيز کنترل دماهاي استحاله آن انجام مي‌گيرد. انجام اين فرآيند تاثيرات بسياري بر روي ريزساختار اين آلياژها و در نتيجه روي خواص آنها خواهد داشت.

استفاده از آلياژهاي حافظه‌دار NiTi غني از Ni همواره مورد توجه بوده است، چرا که با افزودن Ni به آنها امکان کنترل دماهاي انتقالي فراهم مي‌آيد (با افزودن at. Ni %1/0 دماهاي انتقالي حدود K20 کاهش پيدا مي‌کنند). این آلیاژها به دلیل مقدار نیکل بالایی که دارند، سختی و مقاومت به سایش و خوردگی بالایی از خود نشان می دهند. همچنین در این آلیاژها می توان با عملیات حرارتی مناسب به خواص حافظه داری مناسب و استحکام و چقرمگی مورد نظر رسید. انتخاب سیکل عملیات حرارتی به عنوان روش کار آزمایش و همچنین تحلیل روابط حاکم بین کمیت های مکانیکی و ریز ساختاری با استفاده از نتایج بدست آمده از مجموعه مقالات و منابع مرتبط با موضوع آزمایش، از اهداف اصلی این پروژه است. این مقالات به همراه تحلیل و ارتباط بین آنها در فصل دوم آورده شده اند. دو هدف عمده از انجام این آزمایشات دنبال می شود:

  • ایجاد ارتباط بین خواص ریز ساختاری و خواص مکانیکی نمونه های عملیات حرارتی شده و چگونگی تاثیر این خواص بر یکدیگر.
  • بدست آوردن محدوده دمایی و زمانی بهینه عملیات حرارتی برای رسیدن به خواص مطلوب ریز ساختاری و مکانیکی آلیاژ نیکل تیتانیم غنی از نیکل.

شرح کامل روش تهیه نمونه ها، روش انجام عملیات حرارتی و تجهیزات مورد استفاده و تست های متالوگرافی و مکانیکی در فصل سوم آورده شده است.

فصل دوم

مروری بر منابع

1-2 تاریخچه و کاربرد

حافظه داری[6] پدیده ای منحصر به فرد در برخی از آلیاژ هاست که ماده پس از پذیرش یک تغییر فرم پلاستیک در دمای پایین توسط حرارت دادن به شکل اولیه خود باز می گردد. این خاصیت اولین باردر سال 1951 توسط چنگ و رید[7] در آلیاژهای Au-Cd مشاهده گردید[1]. در سال 1961 بوهلر و وایلی [2] در آزمایشگاه نظامی نیروی دریایی آمریکا این خاصیت را در سری آلیاژهای Ni و Ti ملاحظه کردند و نام آن را در حالت کلی 55 نایتینول[8] نهادند که در آن نیکل از مقادیر53 تا 60 در صد وزنی را می تواند دارا باشد. از آن پس این خاصیت در بعضی فلزات، سرامیک ها و حتی پلیمر ها نیز مشاهده شد. اما مواد حافظه دار فلزی که اکثراً آلیاژهای حافظه دار هستند، خاصیت حافظه داری بیشتری نسبت به مواد دیگر دارند. از مهمترین این آلیاژها می توان به غیر از آلیاژهای Ni-Ti، به آلیاژهای پایه مس مانند Cu-Zn-Al  و Cu-Al-Ni نیز اشاره نمود. در میان این دو سیستم آلیاژی، آلیاژ های Ni-Ti دارای خواص مکانیکی و حافظه داری بهتری هستند به گونه اي که تا 8 درصد کرنش پلاستيک را بازيابي مي کنند و نسبت به آلیاژهای پایه مس، پایداری حرارتی مطلوب تری را از خود نشان می دهند. اين آلياژ استحکام خستگي و چقرمگي بالايي دارد که بر اساس این خاصیت، اين ترکيب کاربردهاي فراواني در صنايع نظامي و پزشکي يافته است[2].

اگرچه امروزه حجم بالایی از کاربردهای آلیاژهای حافظه دار در ارتباط با زمینه های پزشکی است، اما کاربردهای زیادی نیز در بخش های مختلف صنعتی در حجم بالا برای این آلیاژها بوجود آمده است. استفاده از این آلیاژها در صنعت بیشتر در بست ها و مفصل ها (کوپلینگ) و در بخش های نظامی بوده است. قاب عینک از موارد دیگری است که از خاصیت سوپرالاستیسیتی این آلیاژ ها استفاده می کند. آنتن تلفن همراه نیز یکی دیگر از موارد کاربرد سیم های سوپرالاستیک است. تقویت لحیم SnPdAg در مقابل شکست در اثر تنش های حرارتی، یکی دیگر از موارد کاربرد صنعتی پودر NiTi سوپرالاستیک می باشد. در قسمت اتومبیل سازی، تولید کننده های اروپایی اتومبیل، به مدت طولانی از آلیاژهای حافظه دار به عنوان فعال کننده برای انتقال سیال در جعبه دنده استفاده می کردند. امروزه از درپوش  NiTiNb برای آب بندی مسیرهای سوخت با فشار بالا در موتورهای انژکتوری دیزلی استفاده می شود. محرک های حافظه دار همچنین در ساخت دریچه یا سوپاپ اطمینان در کاربردهای صنعتی نیز استفاده می شود. کاربرد محرکی جدید شامل یک قطع کننده حرارتی برای محافظت یون های لیتیم باتری در مقابل افزایش غیر قابل کنترل دما، در اثر شارژ زیاد و یا اتصال کوتاه می باشد[3].

2-2 ذوب و ریخته گری آلیاژ NiTi

پیوست1

لیست مقالات ارائه شده:

  • Effect of Homogenization Time and Cooling Rate on Martensitic Transformations in Ti-57.5%wtNi Alloy, Accepted in DSL conference , Rome Italy June 2009, accepted to be published in the Special Issue of Defect and Diffusion Forum(DDF) by Trans Tech. Publications
  • Effect of Homogenization variables on Microstructure in Ti-57.5%wtNi Alloy, Accepted in DSL conference, Rome Italy June 2009, accepted to be published in the Special Issue of Defect and Diffusion Forum(DDF) by Trans Tech. Publications
  • Study on homogenization time and cooling rate on microstructure and transformation temperatures of Ni-42.5wt%Ti-3wt%Cu alloy, Accepted in DSL conference , Rome Italy June 2009, accepted to be published in the Special Issue of Defect and Diffusion Forum(DDF) by Trans Tech. Publications

مراجع:

[1] Chang LC, Read TA. Trans AIME 1951;189:47

[2] C.M. Jackson, H.J. Wagner, and R.J. Wasilewski, 55-nitinol—the alloy with a memory: its physical metallurgy, properties and applications, national aeronautics and space administration, 1972.

[3] Dimitris C. Lagoudas, Shape Memory Alloys: Modeling and Engineering Applications, Springer, 2008

[4] H.Wu, Fabrication of Nitinol Materials and Components, materials science forum vols:394-395(2002)285-292

[5] K. Otsuka, Fabrication of Shape Memory Alloys (Shape Memory Materials, ed., Cambridge University Press 1998).

[6]K. Muller: Proceedings, 8″ International Conference on Metal Forming, Krakow, Poland,p. 657.

[7] K. Otsuka , X. Ren, Physical metallurgy of Ti–Ni-based shape memory alloys, Progress in Materials Science 50 (2005) 511–678

[8] Mueller MH, Knott HW. Trans AIME 1963;227:674

[9] Taylor A, Floyd RW. Acta Crystall 1950;3:285

[10] Hara T, Ohba T, Otsuka K, Nishida M. Mater Trans JIM 1997;38:277

[11] Koskimaki D, Marcinkowski MJ, Sastri AS. Trans AIME 1969;245:1883

[12] Nishida M, Honma T. Scripta Metall 1984;18:1293

[13] M. Nishida, C.M. Wayman, R. Kainuma, T. Honma, Scripta Metall. 20(1986) 899–904.

[14] L. Bataillard, J.-E. Bidaux, R. Gotthardt, Philos. Mag. 78 (1998) 327–344

[15] J. Khalil-Allafi, A. Dlouhy, G. Eggeler, Ni4Ti3-precipitation during aging of NiTi shape memory alloys and its influence on martensitic phase transformations Acta Mater. 50 (2002) 4255–4274.

[16] P. Filip, K. Mazanec, Scripta Mater. 45 (2001) 701–707.

[17]M.C.Carroll,Ch.Somsen,G.Eggeler,Multiple-step artensitic ransformations in Ni-rich NiTi shape memory alloys, Scripta Materialia 50 (2004) 187–192

[18] Dlouhy´ A, Khalil-Allafi J, Eggeler G. Philos Mag 2003;83:339.

[19]JEaton-Evans1,J.M.Dulieu-Barton,E.G.Little and I A Brown,Observations during mechanical testing of Nitinol, DOI: 10.1243/09544062JMES797

[20]رضا حداد بدر، جعفر خليل علافي، “تاثير زمان عمليات پيرسختي بر رفتار سوپرالاستيسيته آلياژ حافظه‌دار Ni51Ti49 “ اولين همايش مشترک يازدهمين کنگره سالانه انجمن مهندسين متالورژي ايران و نوزدهمين سمينار سالانه انجمن ريخته گري ايران، 1 و 2 آبان 1386، شرکت ذوب آهن اصفهان.

[21] F. Takei, T. Miura, S. Miyazaki, S. Kimura, K. Otsuka, Y. Suzuki, Scripta Metall, 1983, 17, 987

[22] R.R. Adharapurapu & K.S. Vecchio, Superelasticity in a New BioImplant Material:Ni-rich 55NiTi Alloy, Experimental Mechanics (2007) 47:365–371

[23] Miyazaki S, Imai T, Igo Y, Otsuka K (1986) Effect of cyclic deformation on the pseudoelasticity characteristics of titanium–nickel alloys. Metall Trans A 17(1):115–120

[24] Gall K, Sehitoglu H, Chumlyakov YI, Kireeva IV (1999)Pseudoelastic cyclic stress-strain response of over-aged single crystal Ti-50.8at.%Ni. Scr Mater 40(1):7–12.

[25]Zarandi FMH, Sadrnezhaad K. Thermomechanical study in combustion synthesized Ti–Ni shape memory alloy. Mater Manuf Process 1997;12(6):1093–105

[26] Carl P. Frick , Alicia M. Ortega , Jeffrey Tyber , A.El.M. Maksound, Hans J. Maier , Yinong Liu, Ken Gall, Thermal processing of polycrystalline NiTi shape memory alloys, Materials Science and Engineering A 405 (2005) 34–49

[27] M. Arciniegas, J. Casals, J.M. Manero, J. Pe˜na, F.J. Gil, Study of hardness and wear behaviour of NiTi shape memory alloys, Journal of Alloys and Compounds 460 (2008) 213–219

[28] G. J. Julien, “Shape memory parts of 60 nitinol”, United States Patent No. 7005018, 2006

[29] Pelton AR, DiCello J, Miyazaki S (2000) Optimization of processing and properties of medical grade Nitinol wire. Minim Invasive Ther Allied Technol 9(1):107–118.

[30] Robertson SW, Gong XY, Ritchie RO (2006) Effect of product form and heat treatment on the crystallographic texture of austenitic Nitinol. J Mater Sci 41:621–630

[31] V.I. Zel’dovich, G.A. Sobyanina, V.G. Pushin, bimodal size distribution of Ni4Ti3 particles and martensitic transformations in slowly cooled nickel-rich Ni-Ti alloys, scripta Materialia, Vol. 37, No. 1, pp. 79-84,1997

[32]Kainuma R, Matsumoto M, Honma T (1987) Metallographic study of precipitation processes in Ni-rich TiNi alloys. Tohoku Daigaku Senko Seiren Kenkyujo iho 43(2):149–158.

Abstract

Nitinol is well known for its thermomechanical properties and superelasticity and shape memory effect. Because of having excellent corrosion resistance, biocompatibility, the alloy has increased number of medical applications such as orthodontic wires, orthopedic devices and surgical devices. Development and growth of Nitinol applications in the industrial and commercial markets have also been fairly strong in recent years. Eyeglass frames, cellular phone antenna, high pressure sealing plug for diesel fuel injectors and over-temperature protection device for lithium ion battery are among the applications. The thermal and mechanical shape memory behavior in these alloys is dependent upon their martensitic transformation. The TiNi alloys containing more than 55 %wt nickel undergo precipitation of Ni4Ti3, Ni3Ti2, Ni3Ti phases during aging. The precipitation phase particles and the following change in the chemical composition of the matrix have a considerable effect on subsequent martensitic transformations. Each precipitation has its own range of creation time and creation temperature. That is, the aging process could be done in the way that results in desired mechanical properties and shape memory behavior. In this work, the effect time and temperature of aging on microstructure and mechanical properties of Ni-rich-NiTi alloy with Ti-57.5%wt nickel content was examined. For this aim, after melting and fabrication the ingot with desired composition, the homogenization process was examined and 1100oC and 4 hours were chose for the best results. Afterwards, by considering the result of solution treatments tests, 1100oC and 1 hour were chose for the appropriate temperature and time for solution treatments. For aging, the samples were subjected to the temperature range of 400 to 700 oC and various time periods (0.5, 1, 8, 16 hours). The optimum ultimate strength following with optimum ductility was result in aging conditions of 500oC and 16 hours. The results of hardness test show that with increasing the time of heat treatment the hardness of samples decreases. The harness of solution treated samples is higher than conventional aging treated samples.

Key words: Ni-rich NiTi alloys, Aging treatment, Mechanical properties, Martensitic transformation, Homogenization

K.N.Toosi University of Technology

Mechanical Engineering Faculty

Material Science and Engineering department

Thesis of Master of Science

Effect of aging heat treatment on microstructure and mechanical properties of Ni-rich NiTi alloy (57.5%wt. Ni)

 

By

 

Pooria Movahed

 

M.Sc. Advisor: Dr. Ali Shokuhfar

[1]Shape memory alloy (SMA)

[2]Shape memory effect

[3]Super elastic

[4]Pseudo elastic

[5]Damping

[6] Shape memory alloys (SMA)

[7] Chang and Read

[8] Nickel Titanium Ordnance Laboratory

دیدگاهها

هیچ دیدگاهی برای این محصول نوشته نشده است.

اولین نفری باشید که دیدگاهی را ارسال می کنید برای “اثر عملیات حرارتی پیرسازی بر ریزساختار و خواص مکانیکی آلیاژ نیکل تیتانیم غنی از نیکل-5/57 درصد وزنی نیکل”

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *

+ 29 = 33