Modeling thermally induced martensitic transformations in nickel titanium shape memory alloys
Modeling thermally induced martensitic transformations in nickel titanium shape memory alloys
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模拟镍钛形状记忆合金中的热致马氏体转变
DOI：
10.1007/s00161-014-0375-4
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发表时间：
2015
影响因子：
2.6
通讯作者：
O. Kastner
中科院分区：
文献类型：
--
作者：
S. Jaeger;G. Eggeler;O. Kastner
在差示扫描量热法(DSC)的无应力热分析过程中，镍钛形状记忆合金表现出明显的热滞现象，其热滞受冷却/升温速率的影响。此外，近等原子合金中的Ni含量控制着相变温度。这一贡献旨在建立一个可以解释这些影响的本构方程，建立在Müler，Achenbach和Seelecke(MAS)早期工作的基础上。具体地说，我们讨论了我们的新方法，重点是NiTi合金。与原始的MAS模型一样，我们的方法植根于非凸自由能表示，并利用速率方程来考虑非平衡过程中的历史依赖性。这些速率方程的松弛时间由特征变换几率决定，而特征变换几率又由我们系统的自由能图景决定。我们展示了如何将模型参数化为合理的实验DSC数据，这些数据是在不同成分的NiTi样品上观察到的，并在不同的冷却/升温速率下测量的。模型预测与实验结果的良好一致性表明，热滞不仅与界面应变能效应有关，而且还受包含特定热弛豫时间的相变过程的瞬变特性的影响。我们的分析表明，当冷却/加热速率超过这些特征驰豫速率时，我们观察到强烈的滞后效应。
During stress-free thermal analysis with differential scanning calorimetry (DSC), nickel titanium (NiTi) shape memory alloys show a thermal hysteresis which is affected by cooling/heating rates. Moreover, the Ni content of near equiatomic alloys governs the phase transition temperatures. This contribution aims at establishing a constitutive equation which can account for these effects, building on earlier work by Müller, Achenbach and Seelecke (MAS). To be specific, we discuss our new method with a focus on NiTi alloys. As in the original MAS model, our approach is rooted in a non-convex free energy representation and rate equations are utilized to incorporate history dependence during non-equilibrium processes. The relaxation times of these rate equations are determined by characteristic transformation probabilities which in turn are governed by the free energy landscape of our system. We show how the model can be parameterized to rationalize experimental DSC data observed for NiTi samples of variable composition and measured at variable cooling/heating rates. The good agreement between model predictions and experimental results suggests that thermal hystereses are not only related to interfacial strain energy effects but also affected by the transient character of the transformation process incorporating specific thermal relaxation times. Our analysis shows that we observe strong hysteretic effects when the cooling/heating rates exceed these characteristic relaxation rates.
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