Determination of stress vs. temperature phase diagram of NiTi shape memory alloys with different porosity levels

Abstract

Konvansiyonel malzemelerle karşılaştırıldığında bir çok ayırt edici özelliğe sahip olan şekil bellek alaşımları son 40-50 yıldır çalışılmakta ve mühendislik uygulamalarında kullanılmaktadır. En çok kullanılan şekil bellek alaşımlarından olan NiTi alaşımları ise yüksek geri kazanılabilen gerinimi, biyo-uygunluğu, ve termomekanik performansı ile Cu-bazlı Fe-bazlı diğer şekil bellek alaşımlarından ayrılarak havacılık, biyomedikal ve diğer ticari uygulamalarda iyi bir yer edinmiştir. Bu özelliklerin yanında, gözenekli NiTi alaşımları ise düşük yoğunlukta yüksek mukavemet, gaz geçirebilirliği ve kemiğe yakın elastik modülüsü ile daha yüksek biyomekanik uygunluğa sahiptir. Bu ileri özelliklerine ragmen, gözenekli NiTi alaşımlarının termomekanik davranışları henüz çok iyi bilinmemektedir.Bu çalışmada, farklı gözenek oranlarına (%10, %20, %30 ve %40 gözenekli) sahip NiTi alaşımlarının gerilim-sıcaklık faz diagramları ve super-elastik davranışları mikroyapısal, termal ve mekanik karakterizasyon testleri kullanılarak belirlenmiştir. 10 mm çapa sahip olan gözenekli numuneler NiTi ve Mg tozlarının hidrolik pres ile sıkıştırılması ve konvansiyonel sinterleme yöntemleri ile üretilmiştir. Numunelerdeki gözenekli yapı magnezyum boşluk tutucu yöntemi kullanılarak elde edilmiştir. Mikroyapısal karakterizasyon testleri (optic mikroskop) ile numunelerin gerçek gözenek oranları ve yapıları teyit edilmiştir. Gözenekli numunelerin termal karakterizasyonu ise diferansiyel taramalı kalorimetre (DSC) analizi ile faz değişim sıcaklıklarının (Ms, Mf, As ve Af) belirlenmesi yardımı ile yapılmıştır. Süper-elastik karakterizasyonu ise farklı sıcaklıklarda (%3 sabit gerinime kadar yüklenmesi Ms+15°C sıcaklıktan başlanarak her testte numune sıcaklığını 30°C artırılması ile) gerçekleştirilmiş olan basma testlerinde Md sıcaklığının (gerilim sebepli martensit fazing görüldüğü en yüksek sıcaklık) belirlenmesi ile yapılmıştır. Bu prosedürlerden sonra, farklı gözenek oranlarına sahip Ni-zengin NiTi alaşımlarının faz diagramları, yeni mühendislik uygulamaları için akma mukavemetinin sıcaklık ile yükseldiği sıcaklık aralığını (Ms ve Md arasında) belirlemek için oluşturulmuştur.

Having many superior properties compared to conventional materials, shape memory alloys (SMAs) have been studied and used in many engineering applications over the last four decades. As one of the commonly used SMAs, NiTi alloys also distinguish from Cu-based and Fe-based SMAs with their large recoverable strains, biocompatibility, and thermo-mechanical performance which make them promising materials in aerospace, biomedical and other commercial applications. Beside these properties, porous NiTi alloys also provide lower density with high stiffness, higher gas permeability and better biomechanical compatibility due to its Young's Modulus which is similar to bones. In spite of these advanced properties, thermo-mechanical behavior of porous NiTi alloys has not been well-known yet. In this study, stress vs temperature phase diagram and super-elasticity behavior of porous Ni-rich NiTi alloys with different porosity levels including 10%, 20%, 30% and 40% by volume were determined by microstructural, thermal and mechanical characterizations tests. Porous specimens with 10 mm diameter were produced from NiTi and Mg powders with hydraulic pressing and conventional sintering. The porosity in these specimens was formed by space holder technique with magnesium powder particles. The porosity levels and porosity architecture of specimens were validated via using Optical Microscope (OM). The thermal characterization of the porous alloys was done by DSC analysis to determine the phase transformation temperatures (Ms, Mf, As and Af) of the samples. The superelasticity experiments with the application of compressive force to these specimens were conducted for the determination of the Md point. Md point is defined as the highest temperature at which stress induced martensite can be obtained by loading. Uniaxial compression tests performed at different temperatures starting from Ms+15°C by loading up to 3% constant strain value was achieved and unloading to 0 MPa level. The temperature of the specimen was increased by 30°C in each cycle till the reverse transformation was vanished. After these procedures, the phase diagrams of Ni-rich NiTi alloys with different porosity levels were obtained in order to identify temperature window at which superelasticity was observed for novel actuator applications.