Influence of thermo- and mechanocycling on thermoelastic martensitic transformations, microstructure and properties (α+β) of Cu–39.5 wt% Zn alloy with shape memory effects

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription or Fee Access

Abstract

The effect of thermal and mechanical cycling on structural and phase transformations and properties of metastable (α+β) shape memory alloy Cu–39.5 wt% Zn is investigated. The temperatures of the onset and end of the direct and reverse martensitic transformation in the Cu–39.5 wt% Zn alloy are determined from the temperature dependences of electrical resistance. Mechanical properties are measured in mechanocyclic tensile cryotests. The structure and phase transformations are studied by optical, scanning and transmission electron microscopy and X-ray phase analysis. An increase in the critical temperatures of the onset of direct thermoelastic martensitic transformations with an increase in the number of “cooling-heating” thermal cycles is found. The features of tweed contrast in electron microscopic images and diffuse effects in microelectron diffraction patterns are analyzed depending on the number of thermal cycles. An increase in the dislocation density during thermal cycling through the martensitic transition temperature was established, and their role in stabilizing the temperatures of phase transformations and the shape memory effect was explained. During mechanical cycling in the martensitic state, the ferroelasticity effect was discovered.

About the authors

A. E. Svirid

M.N. Miheev Institute of Metal Physics, Ural Branch, Russian Academy of Sciences

Ekaterinburg, 620108 Russia

N. N. Kuranova

M.N. Miheev Institute of Metal Physics, Ural Branch, Russian Academy of Sciences

Email: kuranova@imp.uran.ru
Ekaterinburg, 620108 Russia

V. V. Marchenkov

M.N. Miheev Institute of Metal Physics, Ural Branch, Russian Academy of Sciences

Ekaterinburg, 620108 Russia

V. G. Pushin

M.N. Miheev Institute of Metal Physics, Ural Branch, Russian Academy of Sciences

Ekaterinburg, 620108 Russia

D. Yu. Rasposienko

M.N. Miheev Institute of Metal Physics, Ural Branch, Russian Academy of Sciences

Ekaterinburg, 620108 Russia

B. M. Fominykh

M.N. Miheev Institute of Metal Physics, Ural Branch, Russian Academy of Sciences

Ekaterinburg, 620108 Russia

C. V. Afanasiev

M.N. Miheev Institute of Metal Physics, Ural Branch, Russian Academy of Sciences

Ekaterinburg, 620108 Russia

References

  1. Perkins J. (Ed.) Shape Memory Effects in Alloys. Plenum. London: UK, 1975. 583 p.
  2. Варлимонт Х., Дилей Л. Мартенситные превращения в сплавах на основе меди, серебра и золота. М.: Наука, 1980. 205 с.
  3. Ооцука К., Симидзу К., Судзуки Ю., Сэкигути Ю., Тадаки Ц., Хомма Т., Миядзаки С. Сплавы с эффектом памяти формы. М.: Металлургия, 1990. 224 с.
  4. Duering T.W., Melton K.L., Stockel D., Wayman C.M. (Eds.) Engineering Aspects of Shape Memory Alloys; Butterworth-Heineman: London, UK, 1990. 301 p.
  5. Материалы с эффектом памяти формы: Справ. изд. / Под ред. В. А. Лихачева. Т. 1–4. СПб.: Изд-во НИИХ СПбГУ, 1997, 1998.
  6. Пушин В.Г., Кондратьев В.В., Хачин В.Н. Предпереходные явления и мартенситные превращения. Екатеринбург: УрО РАН, 1998. 368 с.
  7. Cui J., Wu Y., Muehlbauer J., Hwang Y., Radermacher R., Fackler S., Wuttig M., Takeuchi I. Demonstration of high efficiency elastocaloric cooling with large δT using NiTi wires // Appl. Phys. Letters. 2012. V. 101. P. 073904.
  8. Buehler W.J., Wang F.E. A summary of recent research on the nitinol alloys and their potential application in ocean engineering // Ocean. Eng. 1968. V. 1. P. 105–120.
  9. Zhang L., He Z.Y., Tan J., Zhang Y.Q., Stoica M., Prashanth K.G., Cordill M.J., Jiang Y.H., Zhou R., Eckert J. Rapid fabrication of function-structure-integrated NiTi alloys: Towards a combination of excellent superelastisity and favorable bioactivity // Intermetallic. 2017. V. 82. P. 1–13.
  10. Snodgrass R., Erickson D. A multistage elastocaloric refrigerator and heat pump with 28 K temperature span // Sci. Rep. 2019. V. 9. P. 18532.
  11. Pushin V., Kuranova N., Marchenkova E., Pushin A. Design and Development of Ti–Ni, Ni–Mn–Ga and Cu–Al–Ni-based Alloys with High and Low Temperature Shape Memory Effects // Materials. 2019. V. 12. P. 2616–2640.
  12. Sedlak P., Seiner H., Landa M., Novák V., Šittner P., Manosa L.I. Elastic Constants of bcc Austenite and 2H Orthorhombic Martensite in CuAlNi Shape Memory Alloy // Acta Mater. 2005. V. 53. P. 3643–3661.
  13. Dasgupta R. A look into Cu-based shape memory alloys: Present scenario and future prospects // J. Mater. Research. 2014. V. 29. No. 16. P. 1681–1698.
  14. Pushin V.G., Kuranova N.N., Svirid A.E., Uksusnikov A.N., Ustyugov Y.M. Design and Development of High-Strength and Ductile Ternary and Multicomponent Eutectoid Cu-Based Shape Memory Alloys: Problems and Perspectives // Metals. 2022. V. 12. P. 1289 (32 pages).
  15. Hull D. Spontaneous Transformation of Metastable β-brass in Thin Foils // Philosoph. Magazine. 1962. V. 7. P. 537–550.
  16. Kajiwara S. Strain-induced martensite structures of a Cu-Zn alloy // J. Phys. Soc. Japan. 1971. V. 30. P. 1757.
  17. Hornbogen E. The effect of variables on martensitic transformation temperatures // Acta Metal. 1985. V. 33. No. 4. P. 595–601.
  18. Xiao G.H., Tao N.R., Lu K. Microstructures and mechanical properties of a Cu-Zn alloy subjected to cryogenic dynamic plastic deformation // Mater. Sci. Eng. A. 2009. V. A513–514. P. 13–21.
  19. Huang Y.T., Wang T.F., Mei Y. A study of internal friction, electron resistance and shape change Cu-Zn and Cu-Zn-Al alloys during phase transformation use simulaneous measurement method // Rev. of Progress in Quantit. Nondest. Evalut. 1990. V. 9. P. 1611–1616.
  20. Yasuda H.Y., Sakata T., Umakoshi Y. Variant selection in transformation texture from the β to α phase in Cu-40 mass% Zn alloy // Acta Metall. 1999. V. 47. No. 6. P. 1923–1933.
  21. Лободюк В.А., Эстрин Э.И. Изотермическое мартенситное превращение // УФН. 2005. Т. 175. № 7. С. 745–765.
  22. Свирид А.Э., Куранова Н.Н., Пушин В.Г., Афанасьев С.В. Особенности структуры метастабильных сплавов на основе Cu-Zn с эффектом памяти формы // ФММ. 2024. Т. 125. № 7. С. 821–830.
  23. Куранова Н.Н., Пушин В.Г., Свирид А.Э., Давыдов Д.И. Мартенситные фазы в метастабильных сплавах на основе Cu–Zn с эффектом памяти формы // ФММ. 2024. Т. 125. № 8. С. 956–963.
  24. Свирид А.Э., Пушин В.Г., Куранова Н.Н., Афанасьев С.В., Давыдов Д.И., Сташкова Л.А. Особенности структуры и механические свойства метастабильного (α+β)-сплава Cu-39.5 мас.% Zn с эффектом памяти формы, подвергнутого механотермической обработке // ФММ. 2024. Т. 125. № 8. С. 986–994.
  25. Свирид А.Э., Пушин В.Г., Куранова Н.Н., Афанасьев С.В., Давыдов Д.И., Сташкова Л.А. Влияние горячей прокатки на фазовый состав, структуру и механические свойства метастабильного (α+β)-сплава на основе Cu–41 мас.% Zn с эффектом памяти формы // ФММ. 2024. Т. 125. № 9. С. 1093–1099.
  26. Хирш П., Хови А., Николсон Р., Пэшли Д., Уэлан М. Электронная микроскопия тонких кристаллов. М.: Мир, 1968. 573 с.
  27. Курдюмов Г.В., Утевский Л.М., Энтин Р.И. Превращения в железе и стали. М.: Наука, 1977. 238 с.
  28. Малышев К.А., Уваров А.И., Романова Р.Р., Пушин В.Г. Трип-эффект в сплавах железо-никель-титан, упрочненных фазовым наклепом и старением // ФММ. 1976. Т. 41. Вып. 5. С. 992–1001.
  29. Лотков А.И., Гришков В.Н., Жапова Д.Ю., Гусаренко А.А., Тимкин В.Н. Влияние пластической деформации в мартенситном состоянии на развитие эффектов сверхэластичности и памяти формы в сплавах на основе никелида титана // Письма в ЖТФ. 2018. Т. 44. Вып. 21. С. 97–104.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download