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Structural evolution during the cycling of NiTi shape memory alloys

  • Jay Hurley , Alicia M. Ortega , Jason Lechniak , Ken Gall and Hans J. Maier EMAIL logo
Published/Copyright: February 5, 2022
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International Journal of Materials Research
From the journal International Journal of Materials Research Volume 94 Issue 5

Abstract

The structural evolution in NiTi shape memory alloys subjected to pseudoelastic cycling is examined in the present study. Single crystals with [100] and [111] orientations were subjected to repeated compressive cycles and then studied by transmission electron microscopy (TEM). TEM observations were made at cycle numbers 1, 2, 5, 10, and 20 since the majority of degradation occurs during these initial cycle numbers. Under compression, single crystals with [111] orientations degraded much faster than crystals with [100] orientations. Under tension, single crystals with [100] orientations fractured in the elastic region, and crystals with [111] orientations showed considerable degradation as a function of cycling. Intermittent TEM observations on single crystals oriented along the [111] direction showed an increase in dislocation density on multiple active slip systems as a function of cycling. Single crystals oriented along the [100] orientation show a less dramatic increase in dislocation density as a function of cycling. TEM observations have revealed that dislocation structures formed near martensite plates have a similar periodicity as internal twin modes within the martensite. This observation implies that, although the interface between the martensite and parent phase is a low-energy boundary, the local disruptions due to internal twins create preferential nucleation sites for the formation of lattice defects.

Abstract

Es werden die durch zyklische Beanspruchung in NiTi-Formgedächtnislegierungen ausgelösten mikrostrukturellen Veränderungen beschrieben. Untersucht wurden einkristalline Proben mit [100]- und [111]-Orientierung, die anfangs pseudoelastisches Verformungsverhalten zeigten. Bei Druckschwellbeanspruchung ergaben sich starke Veränderungen im zyklischen Spannung–Dehnung-Verhalten (ZSD), die in den ersten Zyklen am deutlichsten ausgeprägt waren. Daher wurden Proben nach 1, 2, 5, 10 und 20 Zyklen mittels Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) nachuntersucht. Es zeigte sich, dass die in [111]- Richtung beanspruchten Einkristalle bei zyklischer Druckbelastung ihre mechanischen Eigenschaften deutlich schneller veränderten als Vergleichsproben, die in [100]-Richtung beansprucht wurden. Bei Zugbeanspruchung versagten die [100]-orientierten Proben bereits im elastischen Bereich, während sich bei einer Zugschwellbeanspruchung in [111]-Richtung eine allmähliche Veränderung im ZSD-Verhalten einstellte. Die TEM-Untersuchungen ergaben, dass für den Fall der [111]-orientierten Proben die Versetzungsdichte mit der Zyklenzahl deutlich zunahm. Es war bereits nach wenigen Zyklen hohe Versetzungsaktivität auf mehreren aktiven Gleitsystemen zu beobachten. Bei Beanspruchung in [100]-Richtung veränderte sich die Mikrostruktur während der Beanspruchung hingegen deutlich weniger. Die TEM-Untersuchungen zeigten auch, dass die in der Nähe der martensitischen Phasen gebildeten Versetzungsanordnungen eine ähnliche Periodizität aufwiesen wie der verzwillingte Martensit. Die mit den Zwillingen verbundenen Störungen der Phasengrenze können offenbar als bevorzugte Keimstellen für die Bildung von Gitterdefekten wirken, obwohl die Phasengrenze zwischen Martensit und Austenit eine geringe Grenzflächenenergie aufweist.

Keywords: Cyclic degradation; Fatigue; Microstructure; NiTi shape memory alloys; Single crystals; Stress– strain response

Dedicated to Professor Dr. Otmar Vöhringer on the occasion of his 65th birthday

Prof. Dr.-Ing. H.J. Maier Lehrstuhl für Werkstoffkunde Universität Paderborn Pohlweg 47 –49, D-33098 Paderborn, Germany Tel.: +49 5251 60 3856 Fax: +49 5251 60 3854

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Received: 2002-10-01
Published Online: 2022-02-05

© 2003 Carl Hanser Verlag, München

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https://doi.org/10.1515/ijmr-2003-0096
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Cyclic degradation; Fatigue; Microstructure; NiTi shape memory alloys; Single crystals; Stress– strain response

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