Effect of cryogenic treatment on the pseudoelastic behavior of the Ni57Ti43 alloy under cyclic loading

Dissertação (mestrado)—Universidade de Brasília, Faculdade de Tecnologia, Departamento de Engenharia Mecânica, 2019.As ligas com memória de forma (LMFs) possuem a particularidade de recuperar uma forma original após deformações significativas e destacam-se pelo comportamento pseudoelástico e efeito memória de forma, que possibilitam aplicações em diversas áreas. Em aplicações como atuadores, o material é submetido a carregamentos termomecânicos cíclicos, e as LMFs estão sujeitas a sofrer dois tipos de fadiga: estrutural e funcional. A estrutural é caracterizada pela falha mecânica do material, e a funcional pela alteração de propriedades com a ciclagem. No entanto, essas ligas apresentam uma resposta à fadiga e fratura incomum se comparada a outros materiais amplamente utilizados, devido às mudanças microestruturais que ocorrem por indução mecânica e/ou térmica. O tratamento criogênico é vastamente utilizado na indústria para o aprimoramento de propriedade de aços, e vem sendo investigado em ligas com memória de forma. Recentes estudos mostraram que o tratamento criogênico pode alterar de forma expressiva algumas propriedades da liga. O presente trabalho objetiva compreender se e como o tratamento criogênico influencia na resposta à fadiga da liga NiTi no regime pseudoelástico. Amostras de Ni57Ti43 austeníticas foram tratadas criogenicamente por meio de imersão em nitrogênio líquido (-196o C) por 24 horas, e submetidas a ensaios de fadiga variando a tensão máxima aplicada. As variações das propriedades funcionais da liga até a estabilização da curva pseusoelástica foram analisadas (fadiga funcional), e a quantidade de ciclos até a fratura do matéria (fadiga estrutural). Os resultados foram comparados com os obtidos nas amostras não tratadas criogenicamente submetidas às mesmas condições de carregamento. Observou-se que a deformação residual, a deformação máxima, a deformação recuperável e a energia dissipada aumentaram com o tratamento criogênico, enquanto que a tensão de transformação e a vida em fadiga diminuíram.Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES).The shape memory alloys (SMAs) have the particularity of recovering an original form after significant deformations, and stand out for their pseudoelastic behavior and shape memory effect, that enable applications in several areas. In applications such as actuators, the material is subjected to cyclic thermomechanical loadings, and the SMAs can suffer two types of fatigue: structural and functional. The structural fatigue is characterized by the material’s mechanical failure, and the functional by the properties alterations with the cycling. However, these alloys exhibit an uncommon fatigue response and fracture if compared to other widely used materials, due to microstructural changes that occur through mechanical and/or thermal induction. The cryogenic treatment is widely used in the industry for the improvement of property of steels and it has been investigated in NiTi alloys with shape memory. Recent studies have shown that the cryogenic treatment can significantly change some properties of the alloy. The present work aims to understand if and how the cryogenic treatment influences the fatigue response NiTi alloy in the pseudoelastic regime. Austenitic specimens of Ni57Ti43 were cryogenically treated by immersion in liquid nitrogen (-196oC) for 24 hours and subjected to fatigue tests varying the maximum applied stress. The functional properties’ variations until pseudoelastic response stabilization were analyzed (functional fatigue), and the number of cycles until the material’s fracture (structural fatigue). The results were compared with those obtained in the non-treated specimens subjected to the same loading conditions. It was observed that the residual strain, the maximum strain, the recoverable strain and the dissipated energy were increased by the cryogenic treatment, while the transformation stress and the fatigue life were reduced