Thermomechanical analysis of nitinol memory alloy behavior

Abstract

Сплави з пам’яттю форми – це функціональні матеріали, які характеризуються ефектом запам’ятовування форми та надпружністю. Завдяки цим властивостям вони широко використовуються, зокрема, в біоінженерії, аеронавтиці, робототехніці та цивільному будівництві. Досліджено температури фазових перетворень та вплив зовнішньої температури і швидкості деформування на функціональні й механічні характеристики сплаву з пам’яттю форми Ni55.75Ti44.15. Температури фазових перетворень сплаву отримано за допомогою диференціальної сканувальної калориметрії (DSC) у діапазоні температур від -70°C до 70°C. Побудовано та проаналізовано діаграми диференціальних сканувальних калориметрій за різних швидкостей нагрівання та охолодження сплаву Ni55.75Ti44.15. Зразки для механічних випробувань виготовлено з круглого стержня діаметром 8 mm. Робоча ділянка зразків була завдовжки 12,5 mm та діаметром в 4 mm. Механічні випроби здійснювали за температур, близьких до максимального значення температури завершення мартенситно-аустенітного перетворення Af =14,7°С. Побудовано діаграми деформування за одновісного розтягу та визначено напруження фазових перетворень, модуль Юнґа та відносні видовження ділянок трансформацій за різних швидкостей навантаження й температур зовнішнього середовища. З використанням формули Клаузіуса-Клапейрона показано, що за одночасної зміни температури і швидкості деформування, напруження фазових перетворень більше зумовлені зміною температур, а не швидкістю навантаження. Визначено коефіцієнти рівняння Клаузіуса-Клапейрона для надпружного сплаву з пам’яттю форми Ni55.75Ti44.15, які узгоджуються з відомими в літературі.

Shape memory alloys are functional materials characterized by the effect of shape memory and superelasticity. Due to these properties, they are widely used, particularly, in bioengineering, aeronautics, robotics and civil engineering. The temperatures of phase transformations and the influence of external temperature and strain rate on the functional and mechanical characteristics of Ni55.75Ti44.15 shape memory alloy are investigated in this paper. The temperature of alloy phase transformations is obtained by differential scanning calorimetry (DSC) in the temperature range from -70°C to 70°C. Diagrams of differential scanning calorimeters at different heating and cooling rates of Ni55.75Ti44.15 alloy is constructed and analyzed. Samples for mechanical tests are made of round rod 8 mm in diameter. The samples working area is 12.5 mm in length and 4 mm in diameter. Mechanical tests are carried out at temperatures close to the maximum value of the completion temperature of martensitic-austenitic transformation Af = 14.7°C. Diagrams of deformation under uniaxial tension are constructed and stresses of phase transformations, Youngʼs modulus and relative elongations of transformation areas at different loading speeds and exterior temperatures are determined. Using Clausius-Clapeyron formula, it is shown that with simultaneous changes in temperature and strain rate, the stresses of phase transformations are largely due to changes in temperature rather than load rates. The coefficients of Clausius-Clapeyron equation for superelastic Ni55.75Ti44.15 alloy with shape memory, which are consistent with those known in the literature, are determined.