بخشی از مقاله
چکیده
در پژوهش حاضر تأثیر افزودن عنصر مس به میزان 5 درصد اتمی، بر رفتار منحنیهاي سیلان آلیاژ NiTi مورد ارزیابی قرار گرفت. بدین منظور آزمون فشار گرم در محدوده دمایی 700 oC تا 1000 oC و نرخ کرنش 0/001 s-1 تا 1 s-1 تا کرنش 0/7 روي نمونه هاي کار شده آلیاژهاي با ترکیب اسمی 49.8at%Ni50.2at%Ti و 44.8at%Ni50.2at%Ti5at%Cu انجام یافت. نتایج نشان داد که منحنیهاي سیلان آلیاژ NiTiCu در دماهاي اندك، بالاتر از منحنیهاي سیلان آلیاژ NiTi است.
علت این مسئله ناشی از استحکام بخشی محلولی در اثر تشکیل فاز محلول جامد به دلیل تشابه ساختاري زیاد مس با نیکل است. همچنین استحکام بخشی رسوبی در اثر تشکیل ذرات فاز ثانویه TiCu و Ti2 - Ni,Cu - در آلیاژ NiTiCu علاوه بر فاز Ti2Ni، دلیل دیگري بر افزایش تنش سیلان آلیاژ سه تایی حاوي مس نسبت به تنش سیلان آلیاژ دوتایی است. ولیکن با افزایش دما تا 1000 oC و در نرخ کرنشهاي کمتر از 0/1 منحنیهاي سیلان آلیاژ حاوي مس استحکام خود را از دست می دهند. علت آن ناشی از انحلال فازهاي ثانویه حاوي مس از جمله TiCu است. همین امر منجر به کاهش اثر استحکامبخشی رسوبی و در نتیجه افت استحکام آلیاژ سهتایی میشود.
واژههاي کلیدي: آزمون فشار گرم، آلیاژ NiTiCu، آلیاژ NiTi
-1 مقدمه
آلیاژهاي نیکل- تیتانیم به دلیل خواص حافظه داري و سوپرالاستیسیته بالاتر نسبت به سایر آلیاژهاي حافظه دار، به میزان قابل ملاحظه اي در حوزههاي مختلف هوافضا و پزشکی مورد استفاده قرار می گیرند.
محدوده ترکیب شیمیایی که خواص حافظه داري مطلوب حاصل می شود، بین 49/3 تا 51 درصد اتمی نیکل است .[1] خواص و دماهاي استحاله آلیاژهاي نیکل- تیتانیم دوتایی به تغییر ترکیب شیمیایی بسیار حساس است.
خواص این آلیاژها می تواند با افزودن عناصر سومی که از لحاظ شیمیایی به نیکل یا تیتانیم شبیه هستند، اصلاح شود .[2] انواع عناصر سومی که میتوانند به این آلیاژها اضافه شوند، عبارتند از: Pt، Fe، Pd ، Hf، Zr، Nb و Cu است. از میان این عناصر، رایج ترین آنها عنصر مس است. اصلی ترین نقش عنصر مس در آلیاژهاي حافظه دار NiTi کاهش هیسترزیس حرارتی است. این امر منجر به افزایش سرعت استحاله بازگشت پذیر مارتنزیت به آستنیت شده و در نتیجه زمان پاسخگویی آلیاژ را افزایش می دهد. لذا باعث بهبود رفتار چرخه اي آلیاژ نیز می شود. افزودن عنصر مس بر خلاف عناصر دیگر منجر به تغییر چندانی در دماهاي استحاله نمی شود و دماهاي استحاله به تغییرات در نسبت Ti:Ni حساسیت کمتري می یابند 4]،3،.[1
آلیاژهاي NiTi در چرخه تولید خود تحت عملیات ترمومکانیکی قرار می گیرند. عملیات ترمومکانیکی در آلیاژهاي NiTi به فرآیندهاي مختلفی اطلاق میگردد. انواع آنها عباتند از فرآیند تغییر شکل گرم، عملیات آسفرمینگ - Ausforming - و عملیات مارفرمینگ - Marforming - است .[5-7]
مطالعات 7]،[6 نشان می دهد که در رابطه با عملیات ترمومکانیکی این آلیاژها بیش از 90 درصد تحقیقات روي عملیات آسفرمینگ و عملیات مارفرمینگ متمرکز شده است. در حیطه تغییر شکل گرم این آلیاژها گزارشات اندك و پراکندهاي در رابطه با نورد گرم آنها [5] در دسترس است. بر اساس جستجوهاي انجام شده، اخیراً در زمینه تغییر شکل گرم آلیاژهاي NiTi ژانگ و همکارانش [8] رفتار تغییر شکل گرم آلیاژ 50.7at%Ni49.3at%Ti را در محدوده دمایی 700 oC تا 1000 oC و نرخ کرنش 0/001 s-1 تا 10 s-1 تا کرنش
0/7 را مورد بررسی قرار دادهاند و معادله بنیادي آلیاژها را بدست آوردهاند. دهقانی و خامه اي [9] نیز رفتار تغییر شکل گرم آلیاژ 55at%Ni45at%Ti را با انجام آزمون فشار گرم در محدوده دمایی 900 oC تا 1100 oC در محدوده نرخ کرنش 0/001 s-1 تا 0/35 s-1 مورد بررسی قرار داده اند. آنها معادله بنیادي آلیاژ مذکور را بدست آورده و صحت نتایج شبیهسازي را با نتایج آزمایشات تجربی بررسی نمودهاند. همچنین نتایج تحقیقات آنها نشان داده است که تبلور مجدد دینامیکی مکانیزم حاکم طی تغییر شکل گرم این آلیاژ غنی از نیکل است.
از سوي دیگر گزارش شده است که افزودن مس منجر به تشکیل فازهاي ثانویه حاوي مس شده که باعث کاهش کارگرمپذیري آلیاژهاي NiTi میشود .[10] لذا انجام موفقیتآمیز تغییر شکل گرم این آلیاژها منوط به درك کاملتري از رفتار آنها حین تغییر شکل گرم است. با توجه به مطالعه منابع در دسترس، تحقیقاتی در رابطه با رفتار تغییر شکل گرم آلیاژهاي NiTi غنی از تیتانیم و NiTiCu به کمک آزمون فشار گرم انجام نیافته است.
لذا در پژوهش حاضر تأثیر افزودن عنصر مس بر رفتار منحنیهاي سیلان و پایداري فازهاي مختلف در آلیاژهاي غنی از تیتانیم NiTi از طریق انجام آزمون فشار گرم مورد بررسی قرار گرفته است.
-2 مواد و روش تحقیق
در این تحقیق نمونههاي کارشده آلیاژهاي حافظهدار با ترکیب اسمی 50.2at%Ni49.8at%Ti و 44.8at%Ni50.2at%Ti5at%Cu مورد استفاده قرار گرفت. نمونههاي آزمون فشار گرم به شکل استوانههایی با قطر 10 میلیمتر و ارتفاع 15 میلیمتر تهیه گردید. جهت انجام آزمون فشار گرم، از یک دستگاه سروهیدرولیک Instron 8502 متصل به کامپیوتر استفاده شد. جهت کاهش اصطکاك حین آزمون فشار و جلوگیري از به وجود آمدن کرنش ناهمگن در نمونه ها، از ورق میکا به عنوان روانکار استفاده شد. پیش از انجام آزمون فشار گرم، نمونهها در دماي آزمون به مدت 10 دقیقه تحت عملیات پیشگرم قرار گرفتند. آزمون فشار گرم در دماهاي 700 oC، 800 oC، 900 oC و 1000 oC و نرخ کرنشهاي 1 s-1، 0/1 s-1، 0/01 s-1 و 0/001 s-1 انجام شد.
نمونهها پس از تغییر شکل در آب کوئنچ شدند. سپس نمونهها در جهت محور طولی مقطع زده شدند و پس از آمادهسازي، جهت آشکارسازي ریزساختار، در شرایط پس از تغییر شکل گرم از محلول حکاکی
Hf-HNO3-H2O استفاده شد. پس از آن، ریزساختار آنها بوسیله میکروسکوپ الکترونی روبشی SEM مورد بررسی قرار گرفت. همچنین آنالیز فازها بوسیله آنالیزگر EDX انجام یافت. به علاوه جهت شناسایی فازهاي موجود در این آلیاژها، از دستگاه XRD استفاده گردید.
-3 نتایج و بحث
در شکل 1 منحنی هاي سیلان حاصل از آزمون فشار گرم نمونههاي آلیاژ دوتایی NiTi و آلیاژ سه تایی NiTiCu در دماهاي 700 oC و 1000 oC و نرخ هاي کرنش مختلف ارائه شده است. مقایسه منحنیهاي سیلان این دو آلیاژ نشان می دهد که به طورکلی سیر منحنیها یکسان است و آنهاتقریباً حالت پایا دارند. البته در دماي 700 oC و نرخ کرنش 1 s-1 در منحنیهاي هر دو آلیاژ یک افت در تنش سیلان مشاهده میشود که علت آن متأثر از گرماي ناشی از تغییر شکل است.
چنانکه در شکل -1 الف مشاهده می شود، منحنیهاي سیلان آلیاژ سه تایی NiTiCu در دماي 700 oC و کلیه نرخ هاي کرنش به طور قابل ملاحظه اي بالاتر از منحنیهاي سیلان آلیاژ دوتایی NiTi است. در حالیکه با افزایش دما تا 1000 oC و در کلیه نرخ هاي کرنش مشاهده میشود که اختلاف تنش سیلان آلیاژ NiTiCu نسبت به آلیاژ
