NiTiの相変態と変形挙動

Scientific Reports volume 6、記事番号: 23905 (2016) この記事を引用

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メトリクスの詳細

NiTi ワイヤは、ワイヤ接触領域に堆積した NiTi と Nb 粉末の間の共晶反応を介して一緒にろう付けされました。 NiTi-Nb 共晶微細構造の相変態と変形挙動を、透過型電子顕微鏡 (TEM) と繰り返し荷重-除荷試験を使用して調査しました。 結果は、R相とB19'マルテンサイト変態が塑性変形によって誘発されることを示しています。 超弾性に大きく寄与する R 相変態は、NiTi と共晶領域の界面で優先的に起こります。 共晶領域では棒状および層状共晶を有する円形の Nb リッチ相が観察されます。 これらの相は、応力-ひずみ曲線の 5 つの異なる段階を通じて、ろう付けされた NiTi-Nb 領域の変形挙動に影響を与えると考えられます: (I) R 相の再配向、(II) 母相からの R 相変態、(III) 再配向したマルテンサイトの弾性変形Ｎｂリッチ相および層状ＮｉＴｉ−Ｎｂ共晶の塑性変形、（ＩＶ）Ｂ１９'マルテンサイト変態、および（Ｖ）試験片の塑性変形を伴う。

NiTi 合金は、優れた形状記憶効果、超弾性、低剛性、優れた生体適合性により、生物医学分野で形状記憶合金 (SMA) として広く使用されています 1、2、3。 NiTi 合金では相変態 (つまり、B2 → R/B2 → B19') が起こり、これが形状記憶効果と超弾性の両方を示す原因となります。 前述の相変態は、その組成と熱機械処理に依存します。 最近、Nb 含有 NiTi SMA は、その幅広い変態ヒステリシスと優れた形状記憶効果により、大きな関心を集めています。 そして、TiNiNb 合金の形状記憶効果に関連する相変態を理解することが重要です。 Kim et al.4 は、アニールされたほぼ等原子の NiTi 合金では B2 から B19' (M) への相変態のみが観察されると報告しました。 一方、等原子に近い NiTi 合金では、マトリックスの組成と内部応力場の両方における析出誘起の不均一性により、B2 → R 相変態が起こります4。 NiTi-Nb 合金では、熱機械処理中の幅広い温度でマルテンサイト相またはオーステナイト相のいずれかが得られることがわかっています 5。 Hao et al.6 は、バルク Ni41Ti39Nb20 (at.%) で大きな弾性ひずみと高い強度が得られることを報告しました。これは、引張変形中の応力誘起 B19' 相変態に起因します。 Ni-Ti SMA では、B19' 相への、および B19' 相からのすべての相変態は等温であり、B2 → R および B2 → B19 間の他の相変態は非熱的であることが報告されています 7。 これらは、TiNiNb SMA の相変態を理解する際のガイドとなる可能性があります。 文献の結果に基づくと、TiNiNb 合金の B2 マトリックスから R 相への変態に影響を与える要因がいくつかあります。 たとえば、マトリックスの不均一性により、B2 → R 相変換が発生します8。 Fe9 や Al10 などの合金元素の添加も B2 → R 相変態を引き起こします。

TiNi および TiNiNb の応力誘起マルテンサイト変態とその再配向プロセスについて系統的な研究が行われてきました 11,12,13。 マルテンサイトの再配向に伴う内部弾性エネルギーの変化と変形中の不可逆エネルギーの増加は、等原子に近い NiTi 合金のマルテンサイトの安定化に寄与すると考えられています。 Lin et al.15 は、変形中に生成される転位と空孔がマルテンサイトの安定化を高める可能性があることを発見しました。 Ni47Ti44Nb9 SMA の場合、凝固プロセス中に形成される柔らかい β-Nb 共晶相は、応力誘起マルテンサイトの形成中に大きなひずみエネルギーを吸収することにより、オーステナイト相を効果的に安定化します。 したがって、NiTi-Nb SMA の変態温度ヒステリシスは広がります 16。 塑性変形の初期段階では、β-Nb 相が B2 マトリックス相の弾性ひずみエネルギーを緩和し、それによってマルテンサイト変態のプロセスを遅らせます16。 一般に、マルテンサイト相変態とその再配向は、NiTiNb 合金の形状記憶効果と超弾性を向上させる重要な要素であると考えられています。