Improvement of the one-way and two-way shape memory effects in ti-ni shape memory alloys by thermomechanical treatments

Abstract

Ti-Ni phase transformation behaviour is very sensitive to the thermal and mechanical history of the alloy. Thermomechanical cycling through the full transformation range may degrade the Ti-Ni functional properties (functional fatigue). These repeated transformation cycles cause changes in the SMA phase transformation behaviour due to the formation and accumulation of defects in the alloy microstructure. The main objective of this thesis is to establish the relationships between the changes in Ti-Ni phase transformation behaviour caused by thermomechanical processes, especially in the R-phase range, and the functional properties of the Ti-Ni shape memory alloys (SMAs). Establishing these relationships should allow us to find appropriate thermomechanical processes to substantially improve the Ti-Ni one-way and two-way shape memory effects. To achieve this objective, several experimental techniques are used including measuring variations of the electrical resistivity with temperature, X-ray diffraction, isothermal tension testing, thermal cycling under constant stress, and thermal cycling under zero stress. This study of the phase transformation changes caused by thermomechanical processes has led to a new way of interpreting resistivity curves for calculating the transformation temperatures. Moreover, we have determined how the R-phase influences the functional properties of SMA and, finally, we have substantially improved the properties of one-way and two-way shape memory effects by using thermal processes that avoid permanent deformation of the alloy.

Las transformaciones de fase en aleaciones de NiTi son altamente dependientes de la composición de la aleación, así como de la historia térmica y mecánica previa al uso de la SMA. El objetivo principal de esta tesis es establecer los vínculos existentes entre los cambios producidos en las transformaciones de fase por procesos termomecánicos y las propiedades funcionales en aleaciones con memoria de forma de Ti-Ni, tal que nos permita hallar los procesos termomecánicos más adecuados que proporcionen una mejora substancial en las propiedades funcionales de estas aleaciones. La determinación de estas relaciones, prestando especial atención a la fase-R, nos debe proporcionar las claves para incrementar las propiedades de memoria de forma y doble memoria de forma. Para la consecución de este objetivo se han usado diferentes técnicas de caracterización experimental: variación de la resistividad eléctrica con la temperatura (ER), difractometría de rayos X (DRX), ensayos de tracción isotérmicos, ciclados térmicos a tensión constante y ciclados térmicos a tensión nula. A través del estudio exhaustivo de las transformaciones de fase, se ha aportado una nueva interpretación de las curvas de resistividad para el cálculo de las temperaturas de transformación, se ha determinado la influencia de la fase-R en las propiedades funcionales de las SMA y se han mejorado substancialmente las propiedades de memoria simple y doble memoria de forma mediante procesos térmicos que evitan deformaciones permanentes antes del uso de la aleación.

Les transformacions de fase en aliatges de NiTi són altament dependents de la composició de l'aliatge, així com de la història tèrmica i mecànica prèvia a l'ús de la SMA. L'objectiu principal d'aquesta tesi és establir els vincles existents entre els canvis produïts en les transformacions de fase per processos termomecànics i les propietats funcionals en aliatges amb memòria de forma de Ti-Ni, tal que ens permeti trobar els processos termomecànics més adequats que proporcionin una millora substancial en les propietats funcionals d'aquests aliatges. La determinació d'aquestes relacions, prestant especial atenció a la fase-R, ens ha de proporcionar les claus per incrementar les propietats de memòria de forma i doble memòria de forma. Per a la consecució d'aquest objectiu s'han usat diferents tècniques de caracterització experimental: variació de la resistivitat elèctrica amb la temperatura (ER), difractometria de raigs X (DRX), assaigs de tracció isotèrmics, ciclats tèrmics a tensió constant i ciclats tèrmics a tensió nula. A través de l'estudi exhaustiu de les transformacions de fase, s'ha aportat una nova interpretació de les corbes de resistivitat per al càlcul de les temperatures de transformació, s'ha determinat la influència de la fase-R en les propietats funcionals de les SMA i s'han millorat substancialment les propietats de memòria simple i doble memòria de forma mitjançant processos tèrmics que eviten deformacions permanents abans de l'ús de l'aliatge.