Thermo-mechanical processing and phase transformation behavior of Cu-Al-Mn shape memory alloy

Abstract

Thermo-mechanical Processing And Phasetransformation Behavior Of Cu-al-mn Shape Memory Alloy. Cu-Al-Mn shape memory alloys have attracted noticeable interest between copper-based SMAs, due to the high ductility and wide transformation temperature range. Furthermore, because of the unique mechanical and thermal properties, these alloys have extensive applications in industries which is comparable to NiTi-based SMAs. The alloying composition, production methods, and heat treatment conditions are the effective parameters on the phase transformation temperatures and mechanical properties. In the current thesis, the Cu86Al12Mn2 wt.% was manufactured by conducting an induction melting method under vacuum. The phase transformation temperatures and microstructure development were examined by considering the different re-melting times, rolling, and heat treatment conditions. Based on the literature, the re-melting process is necessary to achieve a homogeneous alloy after the casting process, however, there is a lack of information related to the effect of numbers of re-melting on both microstructure and mechanical properties of these alloys. Therefore, the re-melting process in the conditions same as initial casting was subjected to obtain the effective re-melting time for achieving a homogeneous alloy. It was found that one-time re-melting is required and enough to achieve a homogeneous alloy. The thermal analysis test results for all re-melted samples demonstrated stabilization of transformation temperatures after the re-melting process. In order to investigate the influence of plastic deformation on thermal and mechanical behavior, the rolling process on one-time re-melted samples was done in different rolling conditions. A hot rolling process at 900°C was considered based on the calculation of workability for current alloy. Grain refinement was observed with increasing the thickness reduction during the rolling process from 25% to 90%, which subsequently increased the transformation temperatures as well. Studying re-melt and plastic deformation is not the only aim of this research work. Another important aspect is the aging heat treatment. Thus, the aging responses of 25% and 90% rolled samples were investigated at 300°C and 400°C with various durations. It was found that after aging at 400°C for more than 60 minutes, γ' precipitates were produced in the sample. Also, by increasing the aging time to 480 minutes at 400°C, vast distribution of coarse γ' precipitates was observed. Moreover, the differential scanning calorimetry (DSC) results of the 90% rolled sample which was aged at 400°C for 480 minutes illustrated the loss of shape memory effect. Last but not least, the impact of thermo-mechanical processing on the superelasticity and shape memory properties of Cu-Al-Mn alloy was also explored. The shape memory effect was evaluated by the bending test, and the response was about 90% strain recovery in rolled samples. However, the aged samples illustrate about 50% strain recovery. No superelasticity behavior (SE) was observed over Af temperature. As a summary, the effects of casting parameters and aging conditions on the phase transformation temperature and mechanical behavior of Cu-Al-Mn alloy were investigated. It was found that one-time re-melt with vacuum induction melting (VIM) method and hot rolling followed by a solutionizing process is required to manufacture the SMA. Aging over Af temperature showed an increase in hardness value to 320 Hv, and loss of shape memory effect. These findings are caused by the generation of the γ' precipitates after 480 minutes of aging at 400°C.Cu-Al-Mn Şekil Hafızalı Alaşımının Termo-Mekanik İşlenmesi ve Faz Dönüşüm Davranışı. Cu-Al-Mn şekil hafızalı alaşımlar, yüksek süneklik ve geniş dönüşüm sıcaklık aralığı nedeniyle bakır bazlı şekil hafızalı alaşımlar (ŞHA) arasında dikkat çekmekte ve incelenmektedir. Ayrıca, üstün mekanik ve termal özellikleri nedeniyle, bu alaşımlar endüstride NiTi bazlı ŞHA'larla karşılaştırılabilir kapsamda uygulamalara sahiptir. Alaşım bileşimi, üretim yöntemleri ve ısıl işlem koşulları, faz dönüşüm sıcaklıkları ve mekanik özellikler üzerinde etkili parametrelerdir. Bu çalışmada, Cu86Al12Mn2 alaşımı vakum altında endüksiyon ergitme yöntemi uygulanarak üretilmiştir. Faz dönüşüm sıcaklıkları ve mikroyapı gözlemi; farklı yeniden ergitme süreleri, haddeleme ve ısıl işlem koşulları dikkate alınarak incelenmiştir. Literatürde, döküm işleminden sonra homojen bir alaşım elde etmek için yeniden ergitme işlemi gereklidir, ancak yeniden ergitme sayısının bu alaşımların hem mikroyapısı hem de mekanik özellikleri üzerindeki etkisi ile ilgili kapsamlı çalışma eksikliği vardır. Bu nedenle, homojen bir alaşım elde etmek amacıyla uygun yeniden ergitme süresini elde etmek için ilk döküm ile aynı koşullarda yeniden ergitme işlemi uygulanmıştır ve bir kez yeniden ergitmenin yeterli olduğu görülmüştür. Tüm yeniden ergitilmiş numuneler için elde edilen test sonuçları, yeniden ergitme işleminden sonra dönüşüm sıcaklıklarının stabilizasyonunu göstermiştir. Plastik deformasyonun termal ve mekanik davranış üzerindeki etkisini araştırmak için, bir kez yeniden ergitilmiş numuneler üzerinde farklı koşullarda haddeleme işlemi yapılmıştır. Mevcut alaşım için işlenebilirlik kabiliyeti hesaplamasına dayalı olarak 900°C'de sıcak haddeleme işlemi yapılması düşünülmüştür. Haddeleme işlemi sırasında kalınlık azalmasının %25'ten %90'a çıkarılmasıyla tane incelmesi gözlenmiş, bu durum dönüşüm sıcaklıklarını da artırmıştır. Bu çalışmanın tek amacı yeniden ergitme ve plastik deformasyonu incelemek değildir. Bir diğer önemli konu da yaşlandırma ısıl işlemidir. Bu sebeple, 300°C ve 400°C sıcaklıklarda çeşitli sürelerle %25 ve %90 kalınlık incelmesi kadar haddelenmiş numunelerin yaşlanma tepkileri de araştırılmıştır. 400°C'de 60 dakikadan fazla bekletildikten sonra numunede γ' çökeltilerinin oluştuğu görülmüştür. Ayrıca, yaşlandırma süresinin 400°C'de 480 dakikaya çıkarılmasıyla, geniş dağılımlı kaba γ' çökeltileri gözlemlenmiştir. 400°C'de 480 dakika yaşlandırılan %90 kalınlık azalmasına kadar haddelenmiş numunenin diferansiyel taramalı kalorimetre (DSC) sonuçları, şekil hafızasının kaybolduğunu göstermiştir. Son olarak, termo-mekanik işlemenin Cu-Al-Mn alaşımının süper esneklik ve şekil hafıza özellikleri üzerindeki etkisi de araştırılmıştır. Şekil hafıza etkisi, eğme testi ile değerlendirilmiş ve haddelenmiş numunelerde yaklaşık %90 gerinim geri kazanımı görülmüştür. Bununla birlikte, yaşlandırılmış numunelerde gerinim geri kazanım oranı %50 olarak belirlenmiştir. Östenit son bulma sıcaklığı (Af) üzerinde süperelastikiyet davranışı (SE) gözlenmemiştir. Özet olarak, Cu-Al-Mn alaşımının faz dönüşüm sıcaklığı ve mekanik davranışı üzerine döküm parametrelerinin ve yaşlandırma koşullarının etkileri araştırılmıştır. ŞHA'yı vakum indüksiyon ergitme yöntemiyle üretmek için bir defalık yeniden ergitmenin ve sıcak haddelemenin ardından bir çözeltiye alma işleminin gerekli olduğu bulunmuştur. 400°C'de 480 dakikalık yaşlanmadan sonra γ' çökeltileri oluşması nedeniyle, östenit son bulma sıcaklığı (Af) üzerinde yaşlandırmanın sertlik değerinde 320 Hv'ye kadar bir artış ve şekil hafıza etkisinde kayba neden olduğu görülmüştür.