Deformační mechanismus v paměťových slitinách NiTi při zvýšených teplotách

Slitiny s tvarovou pamětí NiTi, jejichž superelastické a paměťové funkční vlastnosti vyplývají z martenzitické fázové transformace vyvolané v některých materiálech změnou teploty či napětí, jsou v současnosti využívány v lékařství, robotice či automobilovém a leteckém průmyslu. Použití binárních kovových slitin NiTi v průmyslových aplikacích je však bohužel omezeno na teploty nižší než 100 °C, což znemožňuje realizaci řady velmi atraktivních technických aplikací, především v automobilovém a leteckém průmyslu.

Všeobecně rozšířeným názorem je, že při termomechanickém namáhání slitin NiTi dochází s rostoucí teplotou k aktivaci dislokačního skluzu, který postupně nahrazuje napěťově indukovanou martenzitickou transformaci v roli hlavního deformačního mechanismu. Zdánlivě to tak skutečně vypadá, protože termomechanické deformační chování slitin NiTi pozorované při těchto teplotách se postupně stává nevratným. Nicméně oblast teplot, kde jsou oba deformační mechanismy aktivní současně, je nerealisticky široká (100-300 °C) a současně je chování slitin NiTi za těchto podmínek málo prozkoumané. Proto bylo pro výzkumníky v oboru paměťových slitin silnou motivací pochopit mechanismus nevratné deformace NiTi v tomto teplotním oboru a/nebo posunout jeho aktivaci k vyšším teplotám. V minulých 10 letech se podařilo vyvinout ternární vysokoteplotní paměťové slitiny /HTSMA/ pro aktuátory do vyšších teplot. Pomocí legování slitin NiTi třetími prvky dochází ke zvýšení transformačních teplot a pevnosti. NASA například zkoumá slitiny NiTiHf, ve kterých probíhá martenzitická transformace až kolem 300 °C, pro technické aplikace v letectví. Nicméně problémy s transformačně indukovanou plasticitou se projevují i u těchto slitin, pouze jsou posunuty k vyšším teplotám. Motivace ke studiu deformačního mechanismu slitin NiTi při zvýšených teplotách tedy přetrvává.

Obrázek 1: TRIPu podobný deformační mechanismus v tenkém drátu NiTi termomechanicky namáhaném při zvýšených teplotách a napětích [1,2]

Výzkumníci z Oddělení funkčních materiálů FZÚ AV ČR a Oddělení ultrazvukových metod ÚT AV ČR, po letech systematického výzkumu tenkých vláken NiTi pomocí termomechanických zkoušek (Obr. 1) doplněných in-situ studiemi pomocí rentgenového a neutronového záření, transmisní elektronovou mikroskopií a mechanickým modelováním, pracovníci připravili tři rozsáhlé práce, z nichž dvě již byly publikované v časopisech Progress in Materials Science [1] a International Journal of Plasticity [2] a třetí byla odeslána do stejného časopisu.

Obrázek 2: Schematický obrázek vysvětlující podstatu sekvenční transformace B2=>B19´=>B2^T do zdvojčaťelého austenitu v drátu NiTi deformovaném při vysokých teplotách a napětích. V energetickém schématu martenziticky transformující mřížky existuje austenitická fáze ve dvou potenciálních referenčních konfiguracích (původní mřížka I a natočená R) na stejné energetické úrovni - symetricky vzhledem ke středu. Martenzitická fáze s nižší symetrií vzniká z austenitické při chlazení nebo mechanickém zatížení překonáním energetické bariéry martenzitickou transformací. Započtením vlivu vnějšího napětí dojde k narušení zrcadlové symetrie energetického schématu (R má nižší energii než I) a martenzitická varianta J patřící do Eriksen-Pitteri okolí I (b) může přejít do martenzitické varianty N z E-P okolí R (d) prostřednictvím mechanického dvojčatění zahrnujícího kombinovaný dislokační skluz a shuffle (c), a následně do natočeného austenitu R (e) při odtížení, dalším zatížení či zahřátí. Klíčovou úlohu v transformaci B2=>B19´=>B2^T tak hraje deformační dvojčatění v martenzitické fázi, pomocí něhož systém dokáže překonat jinak velmi vysokou energetickou bariéru mezi E-P okolími dvou konfigurací austenitu I a R. Deformační dvojčatění v martenzitu vede na vznik dvojčatových rozhraní v martenzitu (f), která jsou následně přenesena zpětnou transformací do austenitu jako dvojčatová rozhraní v austenitu (g) pozorovaná v experimentu (Obr. 1). Prostřednictvím deformačního dvojčatění v rámci transformace B2=>B19´=>B2^T tak dochází k zjemnění původní austenitické mikrostruktury.

Jak výsledky experimentů, tak teoretické analýzy dlouhodobě naznačovaly, že v případě vysokoteplotní deformace NiTi se pravděpodobně nejedná o prostý souběh martenzitické transformace a dislokační plasticity ale o specifický deformační mechanismus, v některých rysech podobný deformačním procesům v TRIP ocelích (Transformation Induced Plasticity). K jeho pochopení bylo nutné opustit představy zavedené v oboru pro vysvětlení vratných deformačních procesů ve slitině NiTi při nižších teplotách (Obr. 2).

Výsledky systematických experimentů na tenkých NiTi drátech [2] jasně prokázaly, že k nevratné plastické deformaci dochází pouze v případech, kdy martenzitická fázová transformace probíhá pod vnějším mechanickým zatížením, a že její velikost roste s rostoucí teplotou a napětím (Obr. 1 vlevo). Probíhá-li transformace při teplotách do 100 °C, vede tento mechanismus pouze k drobným mikrostrukturním změnám generovaným pokaždé, když martenzitická transformace, jak dopředná tak zpětná, probíhá pod vnějším napětím. Klíčovou roli hraje kompatibilita deformace na pohyblivých fázových rozhraních a hranicích zrn. V průběhu cyklického zatěžovaní potom dochází k akumulaci drobných mikrostrukturních poškození ve formě plastické deformace, mřížkových poruch a vnitřních napětí, což v důsledku vede k předčasnému únavovému porušení drátu. Proto tento mechanismus ovlivňuje klíčovým způsobem únavové vlastnosti slitin NiTi.

Pokud martenzitická transformace probíhá při teplotách nad 100 °C [1], dochází navíc při termomechanickém namáhání slitiny NiTi k zvláštní sekvenční transformaci austenit => martenzit => zdvojčaťělý austenit (B2=>B19´=>B2^T) (Obr. 1 vpravo, Obr. 2). Deformačně indukovaný martenzit, teoreticky termodynamicky stabilní i při vysokých teplotách a napětích, jímž je vystaven, mizí do austenitu nejen konvenčně při odtížení ale překvapivě i při dalším zatěžování nebo ohřevu prostřednictvím zpětné transformace B19´=>B2^T provázané s plastickou deformací. Mechanismus sekvenční transformace je vysvětlen v energetickém schématu martenziticky transformující krystalové mřížky v obrázku 2. Důsledkem je postupná ztráta funkčního termomechanického chování slitiny NiTi s rostoucí teplotou. TRIPu podobný deformační mechanismus založený na sekvenční transformaci byl implementován do již dříve vyvinutého termomechanického modelu slitiny NiTi. Upravený model umožňuje, vedle simulace termomechanického chování při teplotách do 100 °C, predikovat míru zapojení transformačně indukované plasticity a její vliv na termomechanické chování slitin NiTi při zvýšených teplotách v závislosti na podmínkách namáhání a materiálových parametrech. Z praktických důvodů je důležité, že slitinu NiTi lze prostřednictvím tohoto mechanismu tvářet při relativně nízkých teplotách do požadovaných tvarů při zachování funkčních vlastností (Low Temperature Shape Setting /LTSS/[1]). Výsledkem tváření je plasticky deformovaný prvek ze slitiny NiTi obsahující austenitickou fázi s velikostí zrn v desítkách nanometrů vykazující podobné funkční vlastnosti jako původní slitina.

Literatura

[1] P. Šittner, P. Sedlák, H. Seiner, P. Sedmák, J. Pilch, R. Delville, L. Heller, L. Kadeřávek, On the coupling between martensitic transformation and plasticity in NiTi: Experiments and continuum based modelling, Progress in Materials Science, 2018, 98; 249-298,
https://doi.org/10.1016/j.pmatsci.2018.07.003
[2] L. Heller, H. Seiner, P. Šittner, P. Sedlák, O. Tyc, L. Kadeřávek, On the plastic deformation accompanying cyclic martensitic transformation in thermomechanically loaded NiTi, International Journal of Plasticity, 2018, v tisku
https://doi.org/10.1016/j.ijplas.2018.07.007