NiTi의 상변태 및 변형 거동

Scientific Reports 6권, 기사 번호: 23905(2016) 이 기사 인용

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NiTi 와이어는 와이어 접촉 영역에 증착된 NiTi와 Nb 분말 사이의 공융 반응을 통해 함께 브레이징되었습니다. NiTi-Nb 공융 미세구조의 상변태 및 변형 거동은 투과전자현미경(TEM) 및 순환 로딩-언로딩 테스트를 사용하여 조사되었습니다. 결과는 R 상과 B19' 마르텐사이트 변태가 소성 변형에 의해 유도됨을 보여줍니다. 초탄성에 크게 기여하는 R 상 변환은 NiTi와 공융 영역 사이의 경계면에서 우선적으로 발생합니다. 막대형 및 라멜라형 공융을 갖는 둥근 모양의 Nb가 풍부한 상이 공융 영역에서 관찰됩니다. 이러한 단계는 응력-변형률 곡선의 5가지 개별 단계를 통해 브레이징된 NiTi-Nb 영역의 변형 거동에 영향을 미치는 것으로 보입니다. (I) R 위상 재배향, (II) 모상으로부터의 R 위상 변형, (III) 재배향된 마르텐사이트의 탄성 변형 Nb가 풍부한 상과 라멜라 NiTi-Nb 공융의 소성 변형, (IV) B19' 마르텐사이트 변형 및 (V) 시편의 소성 변형이 동반됩니다.

NiTi 합금은 우수한 형상 기억 효과, 초탄성, 낮은 강성 및 우수한 생체 적합성으로 인해 생체 의학 분야에서 형상 기억 합금(SMA)으로 널리 사용됩니다. 형상 기억 효과와 초탄성을 모두 나타내는 NiTi 합금에서 상 변형(예: B2 → R/B2 → B19')이 발생했습니다. 앞서 언급한 상 변형은 구성과 열-기계적 처리에 따라 달라집니다. 최근 Nb 함유 NiTi SMA는 넓은 변형 히스테리시스와 우수한 형상 기억 효과로 인해 상당한 관심을 끌었습니다. 그리고 TiNiNb 합금의 형상기억 효과와 관련된 상변태를 이해하는 것이 중요합니다. Kim 등4은 어닐링된 거의 등원자 NiTi 합금에서 B2에서 B19'(M) 상 변태만이 관찰된다고 보고했습니다. 반면, B2 → R 상 변형은 매트릭스4의 조성 및 내부 응력 장 모두에서 석출로 인한 불균일성으로 인해 거의 등원자 NiTi 합금에서 발생합니다. 열-기계적 처리 동안 넓은 온도 범위에서 NiTi-Nb 합금에서 마르텐사이트 또는 오스테나이트 상이 얻어지는 것으로 밝혀졌습니다5. Hao 등6은 벌크 Ni41Ti39Nb20(at.%)에서 큰 탄성 변형과 높은 강도를 보고했는데, 이는 인장 변형 중 응력에 의한 B19' 상 변형으로 인해 발생했습니다. Ni-Ti SMA에서는 B19' 상 사이의 모든 상 변환이 등온이고 B2 → R 및 B2 → B19 사이의 다른 상 변환은 무열인 것으로 보고되었습니다7. 이는 TiNiNb SMA의 상 변환을 이해하는 데 도움이 될 수 있습니다. 문헌 결과에 따르면 TiNiNb 합금의 B2 매트릭스에서 R 상으로의 변환에 영향을 미치는 몇 가지 요인이 있습니다. 예를 들어, 매트릭스의 불균일성은 B2 → R 상 변환을 유발합니다8. Fe9 또는 Al10과 같은 합금 원소를 첨가하면 B2 → R 상 변형도 발생합니다.

TiNi 및 TiNiNb11,12,13에서 응력에 의한 마텐자이트 변태 및 재배향 과정에 대한 체계적인 연구가 수행되었습니다. 내부 탄성 에너지의 변화와 변형 중 비가역 에너지의 증가는 마르텐사이트 재배향과 함께 거의 등원자 NiTi 합금의 마르텐사이트 안정화에 기여할 것으로 믿어집니다. Lin 등은 변형 중에 생성된 전위와 공극이 마르텐사이트 안정화를 향상시킬 수 있음을 발견했습니다. Ni47Ti44Nb9 SMA의 경우, 응고 과정에서 형성된 연질 β-Nb 공융상은 응력 유발 마르텐사이트 형성 중에 큰 변형 에너지를 흡수하여 오스테나이트 상을 효과적으로 안정화시킵니다. 따라서 NiTi-Nb SMA의 변태 온도 히스테리시스가 넓어집니다. 소성 변형의 초기 단계에서 β-Nb 상은 B2 매트릭스 상의 탄성 변형 에너지를 완화시켜 마르텐사이트 변태 과정을 지연시킵니다. 일반적으로 마르텐사이트 상변태와 그 재배향은 NiTiNb 합금의 형상 기억 효과와 초탄성을 향상시키는 핵심 요소로 간주됩니다.