Anomalies of thermal expansion/contraction of martensite crystal lattices in Ti–Ni AND Ti–Nb–Zr alloys

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

The time-temperature changes of martensite lattice parameters (MLPs) of Ti–50.26Ni and Ti–18Zr–14Nb (at%) shape memory alloys have been investigated using X-ray diffraction methods both in situ and ex situ in order to verify the existence of the time dependence of MLPs and to ascertain the extent to which the correct syngony of the martensite lattice is preserved when its parameters change during heating and cooling at temperatures ranging from –180°C to ≥ As. The reversibility of MLP alterations was observed across the entirety of the investigated temperature range, when subjected to disparate combinations of heating and cooling rates (ranging from 0.03 to > 50°C/s). The MLP values remain constant regardless of the duration of X-ray diffraction imaging or holding at a given temperature within the martensite existence interval. The width of the X-ray lines of B19′ and α″ martensite remains constant regardless of the heating and cooling rates and holding times, which suggests the absence of martensite lattice distortions akin to those observed in premartensitic materials, leading to reversible broadening of X-ray lines of austenite with approaching the Мs point in the area of formation of nanodomains of intermediate shear structure. The Fisher criterion (F), nowhere exceeding its critical value, in conjunction with the unaltered width of the X-ray lines, suggests that the undistorted lattice syngony of unconverted martensite crystals has been preserved and that the lattice as a whole has undergone gradual homogeneous shear as the reverse transformation was approached.

Full Text

Restricted Access

About the authors

S. M. Dubinskiy

The National University of Science and Technology MISIS

Author for correspondence.
Email: dubinskiy.sm@misis.ru
Russian Federation, Moscow, 119049

A. P. Baranova

The National University of Science and Technology MISIS

Email: dubinskiy.sm@misis.ru
Russian Federation, Moscow, 119049

O. V. Strachov

The National University of Science and Technology MISIS

Email: dubinskiy.sm@misis.ru
Russian Federation, Moscow, 119049

I. V. Shchetinin

The National University of Science and Technology MISIS

Email: dubinskiy.sm@misis.ru
Russian Federation, Moscow, 119049

A. I. Bazlov

The National University of Science and Technology MISIS

Email: dubinskiy.sm@misis.ru
Russian Federation, Moscow, 119049

A. V. Korotitskiy

The National University of Science and Technology MISIS; Moscow Polytechnic University

Email: dubinskiy.sm@misis.ru
Russian Federation, Moscow, 119049; Moscow, 107023

S. D. Prokoshkin

The National University of Science and Technology MISIS

Email: dubinskiy.sm@misis.ru
Russian Federation, Moscow, 119049

References

  1. Miyazaki S., Kimura S., Otsuka K., Suzuki Y. The habit plane and transformation strains associated with the martensitic transformation in ti-ni single crystals // Scripta Metal. 1984. V. 18. P. 883–888.
  2. Saburi T., Yoshida M., Nenno S. Deformation Behavior of Shape Memory Ti–Ni Alloy Crystals // Scripta Metal. 1984. V. 18. P. 363–366.
  3. Прокошкин С.Д., Коротицкий А.В., Браиловский В., Инаекян К.Э., Дубинский С.М. Кристаллическая решетка мартенсита и ресурс обратимой деформации термически и термомеханически обработанных сплавов Ti–Ni с памятью формы // ФММ. 2011. Т. 112. С. 180–198.
  4. Kim H.Y., Miyazaki S. Martensitic transformation and superelastic properties of Ti–Nb based alloys // Mater. Trans. 2015. V. 56. P. 625–634.
  5. Dubinskiy S., Prokoshkin S., Brailovski V., Inaekyan K., Korotitskiy A. In situ x-ray diffraction strain-controlled study of Ti–Nb–Zr and Ti–Nb–Ta shape memory alloys: crystal lattice and transformation features // Materials Characterization. 2014. V. 88. P. 127–142.
  6. Konopatsky A., Dubinskiy S., Zhukova Y., Sheremetyev V., Brailovski V., Prokoshkin S.D., Filonov M.R. Ternary ti-zr-nb and quaternary Ti–Zr–Nb–Ta shape memory alloys for biomedical applications: structural features and cyclic mechanical properties // Mater. Sci. Eng. A. 2017. V. 702. P. 301–311.
  7. Пушин В.Г., Муслов С.А., Хачин В.Н. Рентгенографическое и электронно-микроскопическое исследование B2-соединений на основе TiNi // ФММ. 1987. Т. 64. С. 802–808.
  8. Пушин В.Г., Хачин В.Н., Кондратьев В.В., Myслов С.А., Павлова С.П. Структура и свойства В2 соединений титана. I. Предмартенситные Явления // ФММ. 1988. Т. 66. С. 350–358.
  9. Хачин В.Н., Пушин В.Г., Кондратьев В.В. Никелид титана: структура и свойства: М.: Наука, 1992. 160 с.
  10. Пушин В.Г., Хачин В.Н., Иванова Л.Ю., Воронин В.П., Юрченко Л.И. Особенности микроструктуры и фазовых превращений в тройных сплавах Ti50Ni50-XCox с эффектом памяти формы. II. Ромбоэдрический Мартенсит // ФММ. 1994. Т. 77. С. 130–141.
  11. Миронов Ю.П., Кульков С.Н. Исследование мартенситного превращения в TiNi методом рентгенодифракционного кино // Изв. вузов. Физика. 1994. Т. 37. С. 49–54.
  12. Пушин В.Г., Хачин В.Н., Юрченко Л.И., Муслов С.А., Иванова Л.Ю., Соколова А.Ю. Микроструктура и физические свойства сплавов системы Ti 50 Ni 50-X Fe x с эффектами памяти формы. Сообщение II. Упругие Свойства // ФММ. 1995. Т. 79. С. 70–76.
  13. Пушин В.Г., Кондратьев В.В., Хачин В.Н. Предпереходные явления и мартенситные превращения. Екатеринбург: УрО РАН, 1998, 368 с.
  14. Prokoshkin S.D., Brailovski V., Turenne S., Khmelevskaya I.Y., Korotitskiy A.V., Trubitsyna I.B. Concentration, temperature and deformation dependences of martensite lattice parameters in binary Ti–Ni shape memory alloys // J. Phys. IV. 2003. V. 112. P. 651–654.
  15. Prokoshkin S., Korotitskiy A., Brailovski V., Turenne S., Khmelevskaya I.Y., Trubitsyna I.B. On the lattice parameters of phases in binary Ti–Ni shape memory alloys // Acta Mater. 2004. V. 52. P. 4479–4492.
  16. Пушин В.Г., Прокошкин С.Д., Валиев Р.З., Браиловский В., Валиев Э.З., Волков А.Е., Глезер А.М., Добаткин С.В., Дударев Е.Ф., Жу Ю.Т., Зайнулин Ю.Г., Колобов Ю.Р., Кондратьев В.В., Королев А.В., Коршунов А.И., Коуров Н.И., Кудреватых Н.В., Лотков А.И., Мейснер Л.Л., Попов А.А., Попов Н.Н., Разов А.И., Хусаинов М.А., Чумляков Ю.И., Андреев С.В., Батурин А.А., Беляев С.П., Гришков В.Н., Гундеров Д.В., Дюпин А.П., Иванов К.В., Итин В.И., Касымов М.К., Кашин О.А., Киреева И.В., Козлов А.И., Кунцевич Т.Э., Куранова Н.Н., Пушина Н.Ю., Рыклина Е.П., Уксусников А.Н., Хмелевская И.Ю., Шеляков А.В., Шкловер В.Я., Шорохов Е.В., Юрченко Л.И. Сплавы никелида титана с памятью формы. Ч. 1. Структура, Фазовые Превращения и Свойства. Екатеринбург: УрО РАН, 2006.
  17. Гундырев B.М., Зельдович В.И., Коротицкий А.В., Прокошкин С.Д., Федоров С.В. Низкотемпературное рентгенографическое исследование концентрационных и температурных зависимостей параметров решетки мартенсита бинарных сплавов Ti–Ni // Изв. РАН. Серия физическая. 2006. Т. 70. С. 1349–1354.
  18. Bönisch M., Panigrahi A., Stoica M., Calin M., Ahrens E., Zehetbauer M., Skrotzki W., Eckert J. Giant thermal expansion and α-precipitation pathways in Ti-alloys // Nature Comm. 2017. V. 8. P. 1429.
  19. Prokoshkin S.D., Korotitskiy A.V., Gundyrev V.M., Zeldovich V.I. Low-temperature X-ray diffraction study of martensite lattice parameters in binary Ti–Ni alloys // Mater. Sci. Eng. A. 2008. V. 481. P. 489–493.
  20. Petrzhik M.I., Fedotov S.G. Thermal Stability and Dynamics of Martensitic Structure in Ti – (Ta, Nb) Alloys // Proc. XVI Conf. on Applied Crystallography World Sci. Publ. 1995. P. 273–276.
  21. Khromova L.P., Dyakonova N.B., Rodionov Y.L., Yudin G.V., Korms I. Martensitic transformations, thermal expansion and mechanical properties of titanium-niobium alloys // J. Phys. IV. 2003. V. 112. P. 1051–1054.
  22. Дьяконова Н.Б., Лясоцкий И.В., Родионов Ю.Л. Исследование орторомбического мартенсита и со-фазы в закаленных и деформированных сплавах титана с 20–24 ат.% Nb // Металлы. 2007. № 1. С. 61–70. [D’yakonova N.B., Lyasotskii I.V., Rodionov Y.L. Orthorhombic martensite and the ω phase in quenched and deformed titanium alloys with 20–24 at% Nb // Russian Metallurgy (Metally). 2007. № 1. P. 51–58.]
  23. Qiu S., Krishnan V.B., Padula S.A., Noebe R.D., Brown D.W., Clausen B., Vaidyanathan R. Measurement of the lattice plane strain and phase fraction evolution during heating and cooling in shape memory NiTi // Appl. Phys. Letters. 2009. V. 95. P. 141906.
  24. Monroe J.A., Gehring D., Karaman I., Arroyave R., Brown D.W., Clausen B. Tailored thermal expansion alloys // Acta Mater. 2016. V. 102. P. 333–341.
  25. Ahadi A., Matsushita Y., Sawaguchi T., Sun Q.P., Tsuchiya K. Origin of zero and negative thermal expansion in severely-deformed superelastic NiTi alloy // Acta Mater. 2017. V. 124. P. 79–92.
  26. Ahadi A., Khaledialidusti R., Kawasaki T., Harjo S., Barnoush A., Tsuchiya K. Neutron diffraction study of temperature-dependent elasticity of B19ʹ NiTi-elinvar effect and elastic softening // Acta Mater. 2019. V. 173. P. 281–291.
  27. Li Q., Deng Z., Onuki Y., Wang W., Li L., Sun Q. In-Plane low thermal expansion of NiTi via controlled cross rolling // Acta Mater. 2021. V. 204. P. 116506.
  28. Gehring D., Ren Y., Barghouti Z., Karaman I. In-situ investigation of anisotropic crystalline and bulk negative thermal expansion in titanium alloys // Acta Mater. 2021. V. 210. P. 116847.
  29. Kim H.Y., Wei L., Kobayashi S., Tahara M., Miyazaki S. Nanodomain structure and its effect on abnormal thermal expansion behavior of a Ti-23Nb-2Zr-0.7Ta-1.2O alloy // Acta Mater. 2013. V. 61. P. 4874–4886.
  30. Nelson J.B., Riley D.P. An experimental investigation of extrapolation methods in the derivation of accurate unit-cell dimensions of crystals // Proceed. Phys. Soc. 1945. V. 57. P. 160–177.
  31. Prokoshkin S., Brailovski V., Inaekyan K., Korotitskiy A., Kreitcberg A. Thermomechanical treatment of Ti–Ni intermetallic-based shape memory alloys. Mater. Sci. Found. 2015. V. 81. P. 260–341.
  32. Montgomery D.C. Design and analysis of experiments // John Wiley & Sons, 1983. 649 с.
  33. Куранова Н.Н., Гундеров Д.В., Уксусников А.Н., Лукьянов А.В., Юрченко Л.И., Прокофьев Е.А., Пушин В.Г., Валиев Р.З. Влияние термообработки на структурные и фазовые превращения и механические свойства сплава TiNi, подвергнутого интенсивной пластической деформации кручением // ФММ. 2009. Т. 108. С. 589–601. [Kuranova N.N., Gunderov D.V., Uksusnikov A.N., Luk’Yanov A.V., Yurchenko L.I., Prokof’Ev E.A., Pushin V.G., Valiev R.Z. Effect of heat treatment on the structural and phase transformations and mechanical properties of TiNi alloy subjected to severe plastic deformation by torsion // Phys. Met. Metal. 2009. V. 108. P. 556–568.]
  34. Зельдович В.И., Пушин В.Г., Фролова Н.Ю., Хачин В.Н., Юрченко Л.И. Фазовые превращения в сплавах никелида титана. I. Дилатометрические Аномалии // ФММ. 1990. С. 90–96.
  35. Pushin V.G. Structures, properties, and application of nanostructured shape memory TiNi‐based alloys // Proceed. Nanomater. Severe Plastic Deformation. 2004. P. 822–828.
  36. Ahadi A., Sun Q. Stress-induced nanoscale phase transition in superelastic NiTi by in situ x-ray diffraction // Acta Mater. 2015. V. 90. P. 272–281.
  37. Prokoshkin S., Dubinskiy S., Korotitskiy A., Konopatsky A., Sheremetyev V., Shchetinin I., Glezer A., Brailovski V. Nanostructure features and stress-induced transformation mechanisms in extremely fine-grained titanium nickelide // J. Alloys and Compounds. 2019. V. 779. P. 667–685.
  38. Dubinskiy S., Prokoshkin S., Sheremetyev V., Konopatsky A., Korotitskiy A., Tabachkova N., Blinova E., Glezer A., Brailovski V. The mechanisms of stress-induced transformation in ultimately fine-grained titanium nickelide, and critical grain size for this transformation // J. Alloys and Compounds. 2021. V. 858. P. 157733.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Fig. 1. Towards determination of characteristic temperatures of reverse martensitic transformation. Calorimetric heating and cooling curves of Ti–50.26Ni alloy (a); temperature dependence of specific electrical resistance R/R0 during heating of Ti–18Zr–12Nb alloy (b).

Download (135KB)
Indexing metadata
3. Fig. 2. Diffraction patterns of Ti–50.26Ni (a) and Ti–18Zr–12Nb (b) alloys at room temperature and in the region of reverse transformations B2→B19′ and α"→β, respectively.

Download (192KB)
Indexing metadata
4. Fig. 3. X-ray diffraction patterns of Ti–50.26Ni (a) and Ti–18Zr–12Nb (b) obtained during an experiment with holding at the temperature of the onset of martensite stability loss for 12 hours.

Download (159KB)
Indexing metadata
5. Fig. 4. X-ray diffraction patterns of Ti–50.26Ni (a) and Ti–18Zr–12Nb (b) obtained during an experiment with aging at Troom for 30 days.

Download (148KB)
Indexing metadata
6. Fig. 5. Martensite lattice parameters, Fisher criterion and X-ray line width of martensite (002)B19′ SPF Ti–50.26Ni (a) and (111)α" Ti–18Zr–12Nb (b) during holding in mode 1 at temperatures of martensite stability loss.

Download (177KB)
Indexing metadata
7. Fig. 6. Martensite lattice parameters, Fisher criterion and width at half maximum of X-ray lines of martensite (002)B19′ SPF Ti–50.26Ni (a) and (111)α" Ti–18Zr–12Nb (b) during holding in mode 2 at Troom.

Download (188KB)
Indexing metadata
8. Fig. 7. Schemes of the experiment to search for the velocity dependence of the lattice parameters of martensite in the SMFs of Ti–50.26Ni and Ti–18Zr–12Nb: a–g – in the range from Troom to the martensite instability temperature; d, e – in the range of stable existence of martensite from Troom to ≤ –180°C; a, d – slow heating and cooling, b – slow heating and rapid cooling; c – rapid heating and slow cooling; d, e – rapid heating and cooling.

Download (166KB)
Indexing metadata
9. Fig. 8. X-ray diffraction patterns of Ti–50.26Ni obtained according to the schemes: a, b – in the range from Troom to 70°C, c, d – in the range of stable existence of martensite from Troom to ≤ –180°C; a, c – slow heating and cooling; b, d – rapid heating and cooling.

Download (458KB)
Indexing metadata
10. Fig. 9. X-ray diffraction patterns of Ti–18Zr–12Nb obtained according to the schemes: a, b – in the range from Troom to 150°C; c, d – in the range of stable existence of martensite from Troom to ≤ –180°C; a, d – slow heating and cooling; b, d – rapid heating and cooling.

Download (430KB)
Indexing metadata
11. Fig. 10. (a) B19′ martensite lattice parameters a, b, c, β, martensite unit cell volume ω=a b c sinβ, Fisher criterion (F), and B002B19′ X-ray line width of the Ti–50.26Ni SMF; (b) α" martensite lattice parameters a, b, c, martensite unit cell volume ω=a b c, Fisher criterion (F), and B111α" X-ray line width of the Ti–18Zr–12Nb SMF obtained using different heating–cooling schemes.

Download (374KB)
Indexing metadata
12. Fig. 11. Temperature dependences of the lattice parameters of B19′ martensite, the Fisher criterion F and the maximum lattice deformation εmax during the B2↔B19′ transformation in Ti–(50.0–51.05)% Ni alloys quenched from 700°C. Calculation based on X-ray diffraction patterns from [3].

Download (414KB)
Indexing metadata
13. Fig. 12. Temperature dependences of the proportions of R-phase and B2-austenite (a) (○, △) – initial state after quenching at Troom before subsequent deep cooling (•, ▲) – after deep cooling and during subsequent reheating, angular coordinates of lines (330)R, (30)R, (444)R, (550)R and (50)R (b) and the width of X-ray lines (444)R, (550)R (c) of the R-phase of the Ti-50.61Ni alloy after e=1.7 +450 °C, 1 h. Based on X-ray diffraction patterns obtained in [3].

Download (186KB)
Indexing metadata
14. Fig. 13. Temperature dependences of angular coordinates (a) and width (b) of X-ray lines (020) and (200) of the α"-phase of the Ti–22Nb alloy. Based on data from [28].

Download (83KB)
Indexing metadata


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».