Deformability of TiNiHf shape memory alloy under rolling with pulsed current

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

Introduction. The deformation capacity of materials is one of the main mechanical characteristics that determine the possibility of its production using various technological processes for metal forming. Among intermetallic compounds, a special role belongs to alloys with a high-temperature shape memory effect (SME) based on TiNi with the addition hafnium. Most of these alloys are not only difficult to deform, but also quite brittle. Therefore, the development of any technological schemes to increase the deformation capacity of these alloys is relevant. The purpose of the work: to study the deformation capacity and the possibility of using electric pulsed current during cold rolling of the TiNiHf alloy. This processing method has not previously been applied to these alloys. In this work, the deformation capacity during cold rolling of a strip 2 mm thick made of a hard-to-deform high-temperature TiNi-based shape memory alloy with the addition of hafnium is studied. To increase the deformability, an external action in the form of a high-density pulsed current of more than 200 A/mm2 is investigated. The research methods are: X-ray analysis to assess the initial phase state; analysis of the evolution of true and engineering deformation to failure (appearance of visible macrocracks in the deformation zone); optical microscopy with magnification from 50 to 100 and measurement of Vickers hardness at room temperature. Results and discussion. An increase in the deformability under the influence of a pulsed current compared to rolling without current and the achievement of a maximum strain of 1.7 (true) and 85% (engineering) are established. The initial coarse-grained equiaxed martensitic microstructure (50 μm) is transformed into a microstructure elongated along the rolling direction, while the hardness increases by 50%. The absence of noticeable structural changes and the observed hardening may indicate a nonthermal effect of the current in increasing the deformability. Thus, the results of the conducted studies indicate the prospects of the method of rolling with a current of a hard-to-deform TiNiHf shape memory alloy as a method of metal forming.

About the authors

V. V. Stolyarov

Email: vlstol@mail.ru
D.Sc. (Engineering), Professor, Mechanical Engineering Research Institute of RAS, 4 M. Kharitonyevskiy Pereulok, Moscow, 101990, Russian Federation, vlstol@mail.ru

V. A. Andreev

Email: Andreev.icmateks@gmail.com
Ph.D. (Engineering), Baikov Institute of Metallurgy and Materials Science, 49 Leninskiy Prospekt, Moscow, 119334, Russian Federation, Andreev.icmateks@gmail.com

R. D. Karelin

Email: RDKarelin@gmail.com
Ph.D. (Engineering); 1. Baikov Institute of Metallurgy and Materials Science, 49 Leninskiy Prospekt, Moscow, 119334, Russian Federation; 2. National University of Science and Technology MISIS, 4/1 Leninskiy Prospekt, 119049, Russian Federation; RDKarelin@gmail.com

U. Ugurchiev

Email: umar77@bk.ru
Mechanical Engineering Research Institute of RAS, 4 M. Kharitonyevskiy Pereulok, Moscow, 101990, Russian Federation, umar77@bk.ru

V. V. Cherkasov

Email: v.basenchikov@yandex.ru
National University of Science and Technology MISIS, 4/1 Leninskiy Prospekt, 119049, Russian Federation, v.basenchikov@yandex.ru

V. S. Komarov

Email: vickomarov@gmail.com
Ph.D. (Engineering); 1. Baikov Institute of Metallurgy and Materials Science, 49 Leninskiy Prospekt, Moscow, 119334, Russian Federation; 2. National University of Science and Technology MISIS, 4/1 Leninskiy Prospekt, 119049, Russian Federation; vickomarov@gmail.com

V. S. Yusupov

Email: vsyusupov@mail.ru
D.Sc. (Engineering), Baikov Institute of Metallurgy and Materials Science, 49 Leninskiy Prospekt, Moscow, 119334, Russian Federation, vsyusupov@mail.ru

References

  1. Физические основы и технологии обработки современных материалов (теория, технология, структура и свойства). В 2 т. Т. 1 / О.А. Троицкий, Ю.В. Баранов, Ю.С. Аврамов, А.Д. Шляпин. – М.: Ижевск: Ин-т компьютер. технологий, 2004. – 590 с.
  2. Влияние режимов электропластической деформации на деформируемость и функциональные свойства сплава Ti-Ni с памятью формы / И.Б. Гуртовая, К.Э. Инаекян, А.В. Коротицкий, У.Х. Угурчиев, С.Ю. Макушев, И.Ю. Хмелевская, Е.С. Данилова, А.Е. Сергеева, В.В. Столяров, С.Д. Прокошкин // Журнал функциональных материалов. – 2008. – Т. 2, № 4. – С. 130–137.
  3. Исследование возможности применения электропластической прокатки для получения прутков из сплава TiNi / А.А. Потапова, В.В. Столяров, А.Б. Бондарев, В.А. Андреев // Машиностроение и инженерное образование. – 2012. – № 2. – С. 33–38.
  4. Меденцов В.Э., Столяров В.В. Особенности деформирования, структура и механические свойства сплава ВТ6 при электропластической прокатке // Деформация и разрушение материалов. – 2012. – № 12. – С. 37–41.
  5. Effect of pulsed current on structure of Al–Mg–Si aluminum-based alloy during cold deformation / I.G. Brodova, I.G. Shirinkina, V.V. Astaf’;ev, T.I. Yablonskikh, A.A. Potapova, V.V. Stolyarov // Physics of Metals and Metallography. – 2013. – Vol. 114 (11). – P. 940–946. – doi: 10.1134/S0031918X13110021.
  6. Комбинирование методов интенсивной пластической деформации конструкционных сталей / А.М. Иванов, У.Х. Угурчиев, В.В. Столяров, Н.Д. Петрова, А.А. Платонов // Известия высших учебных заведений. Черная металлургия. – 2012. – № 6. – С. 54–57.
  7. Research of electroplastic rolling of AZ31 Mg alloy strip / Z. Xu, G. Tang, S. Tian, F. Ding, H. Tian // Journal of Materials Processing Technology. – 2007. – Vol. 182 (1–3). – P. 128–133. – doi: 10.1016/j.jmatprotec.2006.07.019.
  8. Effects of electroplastic rolling on mechanical properties and microstructure of low-carbon martensitic steel / L. Qian, L. Zhan, B. Zhou, X. Zhang, S. Liu, Z. Lv // Materials Science and Engineering: A. – 2021. – Vol. 812. – P. 141144. – doi: 10.1016/j.msea.2021.141144.
  9. Effect of electroplastic rolling on the ductility and superelasticity of TiNi shape memory alloy / R.F. Zhu, G.Y. Tang, S.Q. Shi, M.W. Fu // Materials and Design. – 2013. – Vol. 44. – P. 606–611. – doi: 10.1016/j.matdes.2012.08.045.
  10. Guan L., Tang G., Chu P.K. Recent advances and challenges in electroplastic manufacturing processing of metals // Journal of Materials Research. – 2010. – Vol. 25 (7). – P. 1215–1224. – doi: 10.1557/JMR.2010.0170.
  11. Effect of electroplastic rolling on deformability and oxidation of NiTiNb shape memory alloy / R. Zhu, G. Tang, S. Shi, M. Fu // Journal of Materials Processing Technology. – 2013. – Vol. 213 (1). – P. 30–35. – doi: 10.1016/j.jmatprotec.2012.08.001.
  12. Mal’;tsev I.M. Electroplastic rolling of metals with a high-density current // Russian Journal of Non-Ferrous Metals. – 2008. – Vol. 49. – P. 175–180. – doi: 10.3103/S1067821208030097.
  13. Improvement of formability of Mg–3Al–1Zn alloy strip by electroplastic-differential speed rolling / X. Li, F. Wang, X. Li, G. Tang, J. Zhu // Materials Science and Engineering: A. – 2014. – Vol. 618. – P. 500–504. – doi: 10.1016/j.msea.2014.09.060.
  14. Effect of strain rate on microstructure and mechanical properties of electroplastic rolled ZrTi alloy / D.F. Guo, W.K. Deng, P. Song, X.L. Lv, Y. Shi, Z.H. Qu, G.S. Zhang // Advanced Engineering Materials. – 2022. – P. 202101366. – doi: 10.1002/adem.202101366.
  15. Microstructure dependent electroplastic effect in AA 6063 alloy and its nanocomposites / J. Tiwari, P. Pratheesh, O.B. Bembalge, H. Krishnaswamy, M. Amirthalingam, S.K.  Panigrahi // Journal of Materials Research and Technology. – 2021. – Vol. 12. – P. 2185–2204. – doi: 10.1016/j.jmrt.2021.03.112.
  16. Deformation behavior, structure, and properties of an aging Ti-Ni shape memory alloy after compression deformation in a wide temperature range / V. Komarov, I. Khmelevskaya, R. Karelin, R. Kawalla, G. Korpala, U. Prahl, S. Prokoshkin // JOM. – 2021. – Vol. 73 (2). – P. 620–629. – doi: 10.1007/s11837-020-04508-7.
  17. Effect of quasi-continuous equal-channel angular pressing on structure and properties of Ti-Ni shape memory alloys / R.D. Karelin, I.Y. Khmelevskaya, V.S. Komarov, V.A. Andreev, M.M. Perkas, V.S. Yusupov, S.D. Prokoshkin // Journal of Materials Engineering and Performance. – 2021. – Vol. 30 (4). – P. 3096–3106. – doi: 10.1007/s11665-021-05625-3.
  18. Effects of cold and warm rolling on the shape memory response of Ni50Ti30Hf20 high-temperature shape memory alloy / N. Babacan, M. Bilal, C. Hayrettin, J. Liu, O. Benafan, I. Karaman // Acta Materialia. – 2018. – Vol. 157. – P. 228–244. – doi: 10.1016/j.actamat.2018.07.009.
  19. Tong Y., Shuitcev A., Zheng Y. Recent development of TiNi?based shape memory alloys with high cycle stability and high transformation temperature // Advanced Engineering Materials. – 2020. – Vol. 22 (4). – doi: 10.1002/adem.201900496.
  20. Microstructural and thermomechanical comparison of Ni-rich and Ni-lean NiTi-20 at.% Hf high temperature shape memory alloy wires / A.W. Young, R.W. Wheeler, N.A. Ley, O. Benafan, v Young // Shape Memory and Superelasticity. – 2019. – Vol. 5 (4). – P. 397–406. – doi: 10.1007/s40830-019-00255-0.
  21. Belbasi M., Salehi M.T. Influence of chemical composition and melting process on hot rolling of NiTiHf shape memory alloy // Journal of Materials Engineering and Performance. – 2014. – Vol. 23 (7). – P. 2368–2372. – doi: 10.1007/s11665-014-1006-8.
  22. Effect of aging on the microstructure and shape memory effect of a hot-rolled NiTiHf alloy / M.M. Javadi, M. Belbasi, M.T. Salehi, M.R. Afshar // Journal of materials engineering and performance. – 2011. – Vol. 20 (4). – P. 618–622. – doi: 10.1007/s11665-011-9885-4.
  23. Effects of nanoprecipitation on the shape memory and material properties of an Ni-rich NiTiHf high temperature shape memory alloy / H.E. Karaca, S.M. Saghaian, G. Ded, H. Tobe, B. Basaran, H.J. Maier, R.D. Noebe, Y.I. Chumlyakov // Acta Materialia. – 2013. – Vol. 61 (19). – P. 7422–7431. – doi: 10.1016/j.actamat.2013.08.048.
  24. Coherency strains of H-phase precipitates and their influence on functional properties of nickel-titanium-hafnium shape memory alloys / B. Amin-Ahmadi, J.G. Pauza, A. Shamimi, T.W. Duerig, R.D. Noebe, A.P. Stebner // Scripta Materialia. – 2018. – Vol. 147. – P. 83–87. – doi: 10.1016/j.scriptamat.2018.01.005.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download


Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».