Understanding the interplay of precipitates and dislocations on the reversible martensitic transformation in cyclically actuated NiTiHf shape memory alloys

了解循环驱动 NiTiHf 形状记忆合金中析出物和位错对可逆马氏体相变的相互作用

基本信息

  • 批准号:
    2004752
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 49.48万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    美国
  • 项目类别:
    Standard Grant
  • 财政年份:
    2020
  • 资助国家:
    美国
  • 起止时间:
    2020-08-01 至 2024-01-31
  • 项目状态:
    已结题

项目摘要

NON-TECHNICAL SUMMARYShape memory alloys (SMAs) can contract and extend, like an artificial muscle, upon cooling and heating through a process called martensitic transformation. Similar to muscles, shape memory alloys experience fatigue after a number of operation cycles. The fatigue of shape memory alloys is triggered and then exacerbated by the creation and accumulation of ultra-small crystalline defects called dislocations. Recent work has shown that the fatigue life of the SMAs can be dramatically improved by incorporating nano-sized particles. The purpose of this project is to provide fundamental understanding of how these nano-particles influence the fatigue of these SMAs by using advanced and in situ electron microscopy to watch the interactions of the nanoparticles with the defects in real time. These insights will accelerate the development of fatigue-resistant and durable super-elastic SMAs that may beneficially impact a wide variety of critical technologies, including aerospace, energy conversion, biomedical, defense, and transportation. This project will also provide multidisciplinary STEM educational and career advancement opportunities for underrepresented students through the Louis Stokes Alliance for Minority Participation program, as well as online STEM course material based on this research.TECHNICAL SUMMARYThe goal of the project is to develop a fundamental understanding of the interplay between nanoprecipitates, dislocations, and martensitic transformation, during thermo-mechanically induced, reversible martensitic transformation. The new knowledge gained will elucidate how their interactions control fatigue performance (both functional and structural) in cyclically actuated high-temperature shape memory alloys (SMAs). The central hypothesis is that the nanoprecipitates will suppress the transformation-induced dislocation multiplication, glide, and rearrangement during thermal cycling, thus dramatically modifying granular-level microstructure, and consequently the fatigue performance. The experimental tasks to be undertaken include: 1) identify precipitate characteristics, associated elastic strain, and local chemistry, 2) determine the effect of precipitates on the transformation-induced dislocation generation and structure evolution, 3) assess the effect of precipitate-dislocation interactions on the austenite and martensite microstructure evolution and the resultant functional fatigue, and 4) identify the role of precipitate-dislocation interaction on persistent slip band formation and crack initiation and growth (structural fatigue) in cyclically actuated SMAs. The experimental results will be used to develop a detailed description of the cyclic reversible martensitic transformation and fatigue responses in precipitate-bearing SMAs.This award reflects NSF's statutory mission and has been deemed worthy of support through evaluation using the Foundation's intellectual merit and broader impacts review criteria.
非技术摘要形状记忆合金 (SMA) 可以像人造肌肉一样,在通过马氏体转变过程冷却和加热时收缩和伸展。与肌肉类似,形状记忆合金在多次操作循环后会感到疲劳。形状记忆合金的疲劳是由称为位错的超小晶体缺陷的产生和积累引发并加剧的。最近的研究表明,通过加入纳米颗粒可以显着提高 SMA 的疲劳寿命。该项目的目的是通过使用先进的原位电子显微镜实时观察纳米颗粒与缺陷的相互作用,提供对这些纳米颗粒如何影响 SMA 疲劳的基本了解。这些见解将加速抗疲劳和耐用的超弹性 SMA 的开发,这可能会对各种关键技术产生有益的影响,包括航空航天、能源转换、生物医学、国防和运输。该项目还将通过路易斯斯托克斯少数族裔参与联盟计划,以及基于本研究的在线 STEM 课程材料,为代表性不足的学生提供多学科 STEM 教育和职业发展机会。 技术概要 该项目的目标是培养对在热机械诱导的可逆马氏体转变过程中,纳米沉淀、位错和马氏体转变之间的相互作用。获得的新知识将阐明它们的相互作用如何控制循环驱动的高温形状记忆合金(SMA)的疲劳性能(功能和结构)。中心假设是纳米沉淀物将抑制热循环过程中相变引起的位错倍增、滑移和重排,从而显着改变颗粒级微观结构,从而改变疲劳性能。要进行的实验任务包括:1) 确定析出物特征、相关弹性应变和局部化学,2) 确定析出物对相变诱导位错生成和结构演化的影响,3) 评估析出物-位错相互作用的影响奥氏体和马氏体微观结构演变以及由此产生的功能疲劳,4) 确定沉淀物-位错相互作用对循环驱动 SMA 中持久滑移带形成以及裂纹萌生和扩展(结构疲劳)的作用。实验结果将用于详细描述含沉淀物的 SMA 中的循环可逆马氏体转变和疲劳响应。该奖项反映了 NSF 的法定使命,并通过使用基金会的智力优点和更广泛的影响审查进行评估,被认为值得支持标准。

项目成果

期刊论文数量(5)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(0)
专利数量(0)
Effects of microstructure and composition on constitutive response of high temperature shape memory alloys: Micromechanical modeling using 3-D reconstructions with experimental validation
  • DOI:
    10.1016/j.actamat.2022.117929
  • 发表时间:
    2022-04-23
  • 期刊:
  • 影响因子:
    9.4
  • 作者:
    Joy, Jobin K.;Umale, Tejas;Lagoudas, Dimitris C.
  • 通讯作者:
    Lagoudas, Dimitris C.
Crystallographic variant mapping using precession electron diffraction data
使用进动电子衍射数据进行晶体变体绘图
  • DOI:
    10.20517/microstructures.2023.17
  • 发表时间:
    2023
  • 期刊:
  • 影响因子:
    0
  • 作者:
    H. Hansen, Marcus
  • 通讯作者:
    H. Hansen, Marcus
Structure and substructure characterization of solution-treated Ni50.3Ti29.7Hf20 high-temperature shape memory alloy
固溶处理Ni50.3Ti29.7Hf20高温形状记忆合金的组织和亚结构表征
  • DOI:
    10.1016/j.scriptamat.2022.114888
  • 发表时间:
    2022
  • 期刊:
  • 影响因子:
    6
  • 作者:
    Dong, Jiaqi;Umale, Tejas;Young, Benjamin;Karaman, Ibrahim;Xie, Kelvin Y.
  • 通讯作者:
    Xie, Kelvin Y.
A reference-area-free strain mapping method using precession electron diffraction data
使用进动电子衍射数据的无参考区域应变映射方法
  • DOI:
    10.1016/j.ultramic.2023.113700
  • 发表时间:
    2023
  • 期刊:
  • 影响因子:
    2.2
  • 作者:
    Zhao, Dexin;Patel, Aniket;Barbosa, Aaron;Hansen, Marcus H.;Wang, Ainiu L.;Dong, Jiaqi;Zhang, Yuwei;Umale, Tejas;Karaman, Ibrahim;Shamberger, Patrick
  • 通讯作者:
    Shamberger, Patrick
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