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Improvement of the functional properties of nanostructured Ti-Ni shape memory alloys by means of thermomechanical processing

Kreitcberg, Alena (2014). Improvement of the functional properties of nanostructured Ti-Ni shape memory alloys by means of thermomechanical processing. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Severe plastic deformation (SPD) is commonly used for nanostructure formation in Ti-Ni shape memory alloys (SMAs), but it increases the risk of damage during processing and, consequently, negatively affects functional fatigue resistance of these materials. The principal objective of this project is, therefore, to study the interrelations between the processing conditions, damageability during processing, microstructure and the functional properties of Ti-Ni SMAs with the aim of improving long-term functional performances of these materials by optimizing their processing conditions.

First, microstructure and fatigue properties of Ti-Ni SMAs were studied after thermomechanical treatment (TMT) with different combinations of severe cold and warm rolling (CR and WR), as well as intermediate and post-deformation annealing (IA and PDA) technological steps. It was shown that either when WR and IA were introduced into the TMT schedule, or CR intensity was decreased, the fatigue life was improved as a consequence of less processing-induced damage and higher density of the favorable B2-austenite texture. This improvement was reached, however, at a price of a lower multi-cycle functional stability of these materials, the latter being a direct consequence of the microstructure coarsening after higher-temperature lower-intensity processing. At the end of this study, however, it was not possible to distinguish between contributions to the functional performances of Ti-Ni SMAs from different processing-related features: a) grain/subgrain size; b) texture; and c) level of rolling-induced defects.

To be capable of separating contributions to the functional properties of Ti-Ni alloys from grain/subgrain size and from texture, the theoretical crystallographic resource of recovery strain after different TMTs and, therefore, different textures, were calculated and compared with the experiment. The comparative analysis showed that the structural factors (grain/subgrain size) strongly dominate the texture contributions, and therefore, there is no real alternative to having nanocrystalline Ti-Ni alloys, if one needs to maximize the Ti-Ni alloys functional properties. Since the creation of such a microstructure requires the use of severe cold deformation techniques and neither of these techniques can be completely exempt from defects, it was deemed necessary to compare the damage tolerance of nanocrystalline Ti-Ni alloys to that of their nanosubgrained and mixed nanocrystalline/nanosubgrained counterparts.

With this objective in mind, a detailed analysis of interrelations between the level of the CR/WR-induced damage (edge microcrack size and concentration) and the fatigue life of Ti-Ni SMAs was carried out. It was shown that nanocrystalline structure provides higher tolerance to small-crack propagation than nanosubgrained or mixed nanocrystalline/nanosubgrained structures, and that low-temperature deformability of these alloys has to be improved to benefit from the property-enhancement potential of nanocrystalline structure.

To broaden our knowledge in the field of Ti-Ni alloy deformability, the strain-rate sensitivity of these alloys was studied. Different microstructures, varying from the coarse- to ultrafine-grained, were created by means of equal-channel angular pressing (ECAP) and subjected to strain-rate sensitivity testing. As a result, the material with ultrafine-grained microstructure demonstrated an improved deformability as compared to the coarse-grained structure, at any deformation temperature. Moreover, it was determined that the smaller the grain size, the lower the temperature and the higher the strain-rate at which superplasticity occurs. Based on the results obtained, combined thermomechanical processing (ECAP at elevated températures followed by CR) was proposed and validated in terms of structural refinement with reduced level of processing-induced defects.

Scientific contributions
This thesis contributes to the advancement of knowledge in the field of Ti-Ni SMAs’processing-structure-properties interactions, and the main conclusions of this study can be summed-up as follows:
• Nanocrystalline Ti-Ni alloys significantly outperform nanosubgrain Ti-Ni alloys in terms of the absolute values and stability of their single- and multiple-cycle functional properties (superelasticity and shape memory characteristics). The main factor limiting the number of cycles to failure of the nanocrystalline alloys is the processing-related damage.
• The structure of Ti-Ni alloys plays significantly higher role in the realization of their functional potential that does their texture.
• In terms of fatigue life, the nanocrystalline structure has lower small-crack sensitivity than does the nanosubgrained structure.
• Grain refinement makes it possible to improve deformability of Ti-Ni alloys at any temperature.
• To produce nanocrystalline Ti-Ni SMAs free of processing-induced-defects, a novel three-step processing is proposed (ECAP+CR+PDA): grain-refining severe plastic deformation at elevated temperatures (ECAP), followed-up by amorphizing SPD at low temperatures (CR), and ended-up by nanocrystallizing post-deformation heat treatment (PDA).

Titre traduit

Amélioration des propriétés fonctionnelles des alliages à mémoire de forme Ti-Ni nanostructurés à l'aide de traitements thermomécaniques

Résumé traduit

Les méthodes de déformation plastique sévère sont fréquemment employées pour la mise en forme d’alliages à mémoire de forme (AMF) Ti-Ni nanostructurés. Toutefois, ce type de traitement thermomécanique augmente les risques d’endommagement du matériau et a donc pour effet de détériorer leur résistance en fatigue. Conséquemment, l’objectif principal de ce projet est d’étudier l’influence des conditions des traitements thermomécaniques (TMT) sur la microstructure, les propriétés fonctionnelles et l’endommagement des AMF Ti-Ni durant ces traitements. En d’autres mots, il est attendu que l’optimisation des conditions des TMT de ces alliages peut améliorer leurs propriétés en fatigue.

Les premiers travaux de cette thèse ont porté sur l’étude de la microstructure et des propriétés en fatigue des AMF Ti-Ni assujettis aux différentes combinaisons de TMT : laminage à froid sévère (CR), laminage à tiède (WR), recuit intermédiaire (IA) et recuit post-déformation (PDA). Les résultats obtenus ont permis de démontrer que tout comme la diminution de l’intensité du CR, l’introduction du WR et du IA au sein des différents TMT a pour effet d’augmenter la durée de vie en fatigue de l’alliage, conséquence d’un endommagement moins important. Une accentuation de la densité d’une texture favorable à la réalisation de l’effet de mémoire de forme (austénite-B2) a également été notée. Néanmoins, les modifications apportées aux TMT (température plus élevée et moins grande intensité de laminage) ont eu pour effet de grossir la microstructure, ayant comme conséquence directe d’affecter négativement la stabilité des propriétés fonctionnelles durant le cyclage thermomécanique. De plus, au terme de ces travaux, il n’était pas possible de séparer l’influence des différentes caractéristiques liées aux TMT sur les propriétés fonctionnelles des alliages Ti-Ni : la taille des grains et sous-grains, la texture et le niveau des défauts induits par le TMT.

Dans le but d’isoler la contribution de la taille des grains et sous-grains de la contribution liée à la texture sur les propriétés fonctionnelles des AMF Ti-Ni, la limite théorique cristallographique de déformation récupérable obtenue après différents TMT (menant aux différentes textures) a été calculée et comparée avec les résultats expérimentaux. Cette analyse comparative a permis de démontrer que les facteurs structuraux (la taille des grains et sous-grains) ont prévalence sur la texture. Par conséquent, afin de maximiser les propriétés fonctionnelles des Ti-Ni, il est nécessaire d’avoir une structure exclusivement nanocristalline et donc d’employer les techniques de déformation plastique sévère (SPD) à froid. Enfin, étant donné que la déformation plastique sévère à froid augmente le risque d’apparition des défauts lors de la mise en forme, il a été jugé nécessaire de comparer la tolérance aux dommages des alliages Ti-Ni avec une taille de grain/sous-grains différente, allant de quelques dizaines jusqu’à quelques centaines de nanomètres.

À cet effet, une analyse détaillée de l’interaction entre la durée de vie en fatigue des alliages Ti-Ni et leur niveau d’endommagement lors du laminage à froid sévère et/ou à tiède (caractérisé par la taille et la densité des microfissures en bordure des échantillons) a été réalisée. Cette étude a démontré que l’alliage avec une taille nanométrique de grains (structure nanocristalline) offre une meilleure tolérance à la propagation des petites fissures comparativement à son équivalent avec une taille nanométrique de sous-grains, ce qui devrait lui offrir une meilleure performance en fatigue. Aussi, afin de pouvoir obtenir les structures nanocristallines tout en diminuant la quantité de défauts de fabrication, il a été jugé essentiel d’étudier la déformabilité de ces alliages à différentes températures.

Afin d’approfondir les connaissances de la déformabilité des AMF Ti-Ni, une étude de sensibilité du taux de déformation a été conduite. Différentes microstructures possédant des grains allant de grossiers à ultrafins ont préalablement été créées à l’aide de la technologie d’extrusion dans les canaux déviés (ECAP). Ces dernières ont ensuite été assujetties à une analyse de sensibilité du taux de déformation. Ces travaux ont prouvé que peu importe la température de déformation, une microstructure à grains ultrafins comparée à une autre à grains grossiers démontre une meilleure déformabilité. Par ailleurs, il a été aussi établi que plus petite est la taille des grains, plus basse est la température et plus élevé est le taux de déformation qui mènent à la superplasticité. En se basant sur ces résultats, une séquence technologique incluant l’ECAP à température élevée, permettant d’affiner la microstructure et donc d’améliorer la déformabilité de l’alliage, suivi par laminage à froid sévère, permettant d’obtenir une structure nanocristalline, a été proposée et validée.

Contributions scientifiques
Ce projet a contribué à l’avancement des connaissances dans le domaine des alliages àmémoire de forme (AMF) Ti-Ni principalement au niveau de l’interaction entre les traitements thermomécaniques, la structure et les propriétés fonctionnelles de ces alliages. Les conclusions principales de ce projet doctoral peuvent être résumées comme suit :
• L’amplitude et la stabilité des propriétés fonctionnelles d’alliages Ti-Ni avec une taille nanométrique de grains (nanocristallins) sont supérieures à celles d’alliages avec une taille nanométrique de sous-grains. Le principal facteur affectant la durée de vie en fatigue d’alliages nanocristallins est leur endommagement lors de la mise en forme.
• Lorsque comparée à la texture, la structure d’alliages Ti-Ni joue un rôle plus significatif dans la réalisation de leur potentiel de fonctionnement.
• En termes de résistance en fatigue, la structure nanocristalline est moins sensible à la propagation des petites fissures par rapport à celle avec sous-grains de taille nanométrique.
• Le raffinement de la taille de grains permet d’améliorer la déformabilité des AMF Ti-Ni et ce, peu importe la température de déformation.
• Dans le but de minimiser le risque d’apparition des défauts lors de la mise en forme des AMF Ti-Ni nanostructurés, une nouvelle séquence de traitement thermomécanique à trois étapes est proposée (ECAP+CR+PDA): 1) raffinement des grains par déformation plastique sévère à haute température (ECAP), 2) création d'une structure amorphe par déformation plastique sévère à basse température (CR) et 3) obtention d’une structure nanocristalline par recuit post-déformation (PDA).

Type de document: Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires: "Manuscript-based thesis presented to École de technologie supérieure and National University of Science and Technology "MISIS" in partial fulfillment of the requirements for the degree of doctor of philosophy co-tutorship Russia-Québec". Bibliographie : pages 181-185.
Mots-clés libres: Alliages à mémoire de forme Traitement thermomécanique. Alliages nickel-titane Fatigue. Alliages nickel-titane Microstructure. Nanocristaux. laminage, extrusion dans les canaux déviés, structure nanocristalline, superplasticité
Directeur de mémoire/thèse:
Directeur de mémoire/thèse
Brailovski, Vladimir
Co-directeurs de mémoire/thèse:
Co-directeurs de mémoire/thèse
Prokoshkin, Sergey D.
Programme: Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt: 13 févr. 2015 21:30
Dernière modification: 10 déc. 2016 16:31
URI: http://espace.etsmtl.ca/id/eprint/1415

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