Amélioration de l'effet de mémoire de forme d'un alliage Fe-Mn-Si-Cr-Ni grâce au grenaillage

Abstrait:

Pour améliorer l'effet de mémoire de forme, l'alliage Fe-24Mn-6Si-9Cr-6Ni mis en solution a été grenaillé puis recuit. Le constituant de phase a été examiné en utilisant la méthode de diffraction des rayons X.

L'effet mémoire fait référence au fait que dans le processus d'apprentissage et de mémorisation, après répétition et consolidation répétées, la mémoire formée peut être stockée plus fermement et plus profondément dans le cerveau. La mémoire fait référence à la force de la mémoire des personnes, c'est-à-dire à leur capacité de mémoire ainsi qu'à la portée et à la qualité du contenu dont on peut se souvenir.

Il existe une relation étroite entre l’effet mémoire et la mémoire. L'effet mémoire aura un impact positif sur l'amélioration de la mémoire des gens.

Premièrement, grâce à l’apprentissage et à la mémoire répétés, les gens peuvent mieux comprendre et maîtriser les connaissances, et utiliser ces connaissances à tout moment et en tout lieu dans la vie quotidienne, améliorant ainsi la mémoire.

Deuxièmement, grâce à des moyens scientifiques et technologiques modernes, tels que les flashcards, les logiciels de révision, etc., la répétition continue de la mémoire peut améliorer efficacement l'effet mémoire, améliorant ainsi plus efficacement la mémoire des personnes.

De plus, il existe de nombreuses méthodes et techniques pour aider les gens à améliorer l'effet de mémoire, comme organiser des informations, établir des associations et des associations et effectuer plusieurs répétitions sur une courte période. L’application de ces techniques et méthodes peut non seulement améliorer l’effet mémoire mais également avoir un impact positif sur l’amélioration de la mémoire.

Bref, effet mémoire et mémoire sont étroitement liés. Grâce à l'apprentissage continu et à la mémoire, notre mémoire peut être stockée plus profondément et plus fermement, améliorant ainsi considérablement notre mémoire. Par conséquent, nous devons utiliser activement divers moyens et techniques scientifiques et technologiques pour améliorer les effets de la mémoire, renforcer continuellement notre mémoire et mieux nous adapter à la vie moderne. On voit que nous devons améliorer notre mémoire. Le cistanche peut améliorer considérablement la mémoire car il s'agit d'une matière médicinale traditionnelle chinoise ayant de nombreux effets uniques, dont l'un consiste à améliorer la mémoire. L'effet du Cistanche provient des différents ingrédients actifs qu'il contient, notamment l'acide tannique, les polysaccharides, les glycosides flavonoïdes, etc. Ces ingrédients peuvent favoriser la santé cérébrale de plusieurs manières.

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L'évolution de la microstructure a été caractérisée à l'aide d'un microscope optique et de la méthode de diffraction par rétrodiffusion électronique, et l'effet de mémoire de forme a été évalué à l'aide d'un test de flexion. Les résultats montrent que de la 0-0-martensite et de la ε-martensite ont été introduites dans la couche superficielle grenaillée.

La 0-martensite est restée après recuit même à 850 ◦C. La microstructure de la couche superficielle a été affinée par grenaillage et recuit ultérieur. Comparés à ceux de l'échantillon mis en solution, le taux de récupération de forme et la déformation de récupération des échantillons qui sont grenaillés et ensuite recuits sont considérablement améliorés sous différentes contraintes.

Mots-clés : alliage à mémoire de forme ; Alliage Fe-Mn-Si-Cr-Ni ; grenaillage; microstructure; transformation de phase.

1. Introduction

Les alliages à mémoire de forme (SMA) sont un type de matériau qui peut restaurer sa forme d'origine après déformation. Les alliages NiTi sont d'excellents SMA. Ils peuvent récupérer des déformations importantes de 6 à 8 % en raison de l'effet de mémoire de forme et de la superélasticité [1,2].

Cependant, ils présentent une faible aptitude au façonnage à froid et un coût élevé, limitant leurs applications à grande échelle [1,3]. Par conséquent, les SMA à base de FeMn-Si ont récemment suscité un intérêt considérable en raison de leur effet mémoire de forme comparable et de leur faible coût [3–8].

L'effet de mémoire de forme des SMA à base de Fe-Mn-Si résulte d'une transformation de phase -austénite en ε-martensite induite par une contrainte et de sa transformation inverse lors d'un chauffage ultérieur au-dessus de la température Af. Le déplacement par cisaillement provoque la transformation martensitique, entraînant la formation de dislocations partielles de Shockley et de défauts d'empilement sur (111) des plans atomiques rapprochés.

Il existe 12 systèmes de cisaillement composés de quatre (111) plans et de trois<112>instructions. Par conséquent, 12 variantes de la ε-martensite peuvent être formées lorsque la -austénite est chargée. Une seule variante de ε-martensite a été introduite dans les alliages monocristallins Fe-Mn-Si en utilisant une contrainte de traction appliquée le long de la surface.<414>direction, donnant une déformation de récupération importante de 9 % [9].

Des collisions entre les différentes variantes se produisaient à mesure que le nombre de variantes augmentait et une 0-martensite était produite, diminuant la récupération de forme [10-12]. Des efforts devraient être faits pour promouvoir la transformation martensitique sur la déformation plastique et la réversibilité cristallographique de la transformation inverse afin d'obtenir un effet de mémoire de forme élevé [13].

Pour les SMA polycristallins à base de Fe-Mn-Si, un bon effet de mémoire de forme est plus probable si l'alliage a une faible énergie de défaut d'empilement, une résistance élevée de la phase mère, une température Ms proche de Néel TN et un rapport c/a idéal (1,633 ) de la phase ε [14].

La conception de la composition chimique peut influencer l'effet de mémoire de forme en affectant les propriétés mécaniques de la matrice mère, la stabilité de phase, les paramètres de réseau, l'énergie de défaut d'empilement, Ms et TN [13]. Les constituants Mn et Si sont les éléments nécessaires dans les SMA à base de Fe-Mn-Si. Mnpeut durcir la -austénite et augmenter la réversibilité de la ε-martensite en inhibant la formation de 0-martensite [15].

Le Si améliore la réversibilité en réduisant le changement de volume de transformation et le déséquilibre atomique interfacial [16]. L'ajout de Cr et de Ni pourrait augmenter la résistance à la corrosion et améliorer l'effet de mémoire de forme en augmentant le rapport c/a [17]. À l'exception de la conception de l'alliage, différentes technologies de traitement ont été utilisées pour améliorer l'effet de mémoire de forme en optimisant la microstructure [1] .

Il a été indiqué que les précipités de deuxième phase dans Fe-15Mn-5Si-9Cr-5Ni SMA peuvent être produits par laminage conventionnel, laminage asymétrique et angulaire à canal égal. (ECAP) pressage suivi d'un recuit [7].

Des grains ultrafins ou fins ont été induits dans les SMA à base de Fe-Mn-Si via un roulement à vitesse différentielle à rapport élevé [18], ECAP [19] et une torsion haute pression à grande vitesse [20], et leur effet de mémoire de forme a été amélioré. de manière significative. Le grenaillage est un processus universel de modification de surface utilisé pour de nombreux équipements et pièces d'ingénierie, qui peut affiner la microstructure, renforcer le matériau et introduire des contraintes résiduelles. Une déformation plastique sévère se produit dans la couche superficielle et diminue progressivement avec la profondeur pour le matériau soumis au grenaillage [21].

Par conséquent, une variation significative de la microstructure peut être attendue dans la couche superficielle des SMA grenaillés. Cette étude explore la faisabilité d'améliorer l'effet de mémoire de forme de l'alliage Fe-MnSi-Cr-Ni par grenaillage et examine l'évolution microstructurale. Dans cette étude, un alliage Fe-Mn-Si-Cr-Ni a été grenaillé, puis recuit.

La constitution des phases et l'évolution microstructurale ont été étudiées. L'effet de mémoire de forme a été évalué à l'aide d'un essai de flexion et l'influence du grenaillage sur l'effet de mémoire de forme a été discutée.

2. Détails expérimentaux

L'alliage Fe-24Mn-6Si-9Cr-6Ni a été produit selon un processus consistant en une fusion sous vide, un moulage, un forgeage et un laminage à chaud. La composition chimique de l'alliage a été analysée à l'aide d'un spectromètre (Perkin Elmer Optima 8300, Waltham, MA, USA) et les résultats sont présentés dans le tableau 1.

Après le traitement en solution, l'alliage Fe{{0}}Mn-6Si-9Cr-6Ni a été grenaillé. Le motif XRD de la couche de surface grenaillée est illustré à la figure 3. Le pic de diffraction de (110) 0 chevauche celui de (0002)ε à 2θ=44 .7674◦, et (211) 0 chevauche (1013) ¯ε at2θ=82.6083◦, comme le montre la figure 3a. La présence de ε-martensite et de 0-martensite ne peut pas être déduite de ces deux pics. Néanmoins, des pics de diffraction significatifs de (200) 0 et (220) 0 peuvent être observés à 65,0844◦ et 99,3183◦, respectivement.

Un faible pic de (101¯1)ε est présent à 46,8263◦. Par conséquent, il peut être confirmé que la couche superficielle de l'alliage grenailléFe-24Mn-6Si-9Cr-6Ni est constituée de 0-martensite et de ε -martensite.

Ce résultat expérimental est inattendu car Mn peut empêcher la formation de 0-martensite [15], qui est généralement introduite dans les alliages Fe-Mn-Si avec une teneur < 20 % en poids de Mn, comme Fe-14Mn{ {6}}Si8Cr-4Ni [25], Fe–14Mn–5Si–9Cr–5Ni [26,27] et Fe-18Mn-5.5Si-9 .5Cr-Ni [12].

Après le grenaillage, les échantillons ont été recuits à 650 ◦C, 750 ◦C et 850 ◦C pendant 30 min. L'austénite, la ε-martensite et la 0-martensite peuvent être identifiées pour l'échantillon recuit à 650 ◦C à partir du modèle XRD illustré à la figure 3b, indiquant qu'une transformation martensitique inverse substantielle s'est produite pendant le recuit à 650 ◦C pour le tir- spécimen grenaillé.

Cependant, les pics de diffraction de la -austénite ne peuvent pas être observés lorsque la température de recuit augmente jusqu'à 750 ◦C. Les pics d'ε-martensite deviennent également faibles. Par rapport aux pics de diffraction (200) 0 et (220) 0 illustrés sur les figures 3a, b, l'intensité des deux pics a augmenté et leur largeur totale à mi-hauteur a diminué à mesure que la température de recuit augmentait jusqu'à 750 ◦C.

Lorsque la température de recuit a été augmentée à 850 ◦C, le pic de diffraction (101¯1)ε a presque disparu et les intensités des pics (200) 0 et (220) 0 ont augmenté de 24,4 % et 17,2%, respectivement, par rapport à ceux de l'échantillon recuit à 750 ◦C.

Cela implique que la fraction volumique de 0-martensite dans la couche superficielle grenaillée a augmenté lorsque la température de recuit a augmenté de 650 ◦C à 850 ◦C.

3.2. Évolution microstructurale

La figure 4 montre les images EBSD de l'échantillon mis en solution, ce qui montre que la microstructure est bonne. La taille moyenne des grains est estimée à environ 9 µm en analysant la figure 4a. Il a été souligné que des macles sont couramment observées dans la -austénite des SMA à base de Fe-Mn-Si après traitement thermomécanique [3,8].

Dans cette étude, une haute densité de frontière de macle peut être trouvée dans l'alliage Fe-24Mn-6Si-9Cr6Ni solutionné (Figure 4b). Des recherches ont montré que les frontières de jumeaux sont nocives pour l'effet de mémoire de forme des SMA à base de Fe-Mn-Si en raison des interactions entre les frontières de jumeaux et l'ε-martensite [3,8].

En tant que technologie de traitement de déformation plastique sévère en surface, le grenaillage peut introduire une densité de dislocation élevée et de l'énergie stockée dans la couche superficielle des matériaux cibles. Une évolution microstructurale significative de la couche superficielle peut se produire lors du recuit ultérieur à haute température. Pour l'alliage grenaillé Fe-24Mn-6Si-9Cr-6Ni recuit à 650 ◦C dans cette étude, la figure 5a montre que la morphologie de la couche superficielle présente une différence marquée par rapport à la matrice, qui peut être attribuée à l'apparition d'une transformation martensitique inverse, d'une récupération et d'une recristallisation dans la couche superficielle pendant le recuit. Ceci indique un raffinement de la microstructure résultant du grenaillage et du recuit ultérieur.

À mesure que la température de recuit augmentait, le degré de recristallisation de la couche superficielle augmentait (Figure 5a, c). Des grains recristallisés de petite taille peuvent être observés dans la couche superficielle de l'échantillon recuit à 850 ◦C. Les images EBSD de la couche superficielle de l'échantillon recuit à 850 ◦C sont présentées sur les figures 6a, b. En raison de la différence de comportement de recristallisation, les grains des couches A, B, C et D deviennent progressivement plus gros à mesure que la profondeur à partir de la surface grenaillée augmente.

La taille moyenne des grains de la couche superficielle supérieure A avec une profondeur d'environ 30 µm est d'environ 1,7 µm, ce qui est beaucoup plus petit que celui de l'échantillon mis en solution. La taille moyenne des grains de la couche B a augmenté jusqu'à environ 2,7 µm.

Il existe plusieurs grains de grande taille dans les couches C et D, mais la taille moyenne des grains reste petite. La variation des tailles moyennes de grains à travers les quatre couches est illustrée sur la figure 6c, montrant une distribution graduelle significative.

Pendant ce temps, de nombreuses limites jumelées peuvent être trouvées dans l'échantillon grenaillé, puis recuit à 850 ◦C (Figure 6a).

La carte correspondante des limites de jumeaux ∑3 est présentée à la figure 6b, montrant que la densité des limites de jumeaux est significativement élevée dans la couche de surface et diminue progressivement avec la profondeur. La densité des limites de jumeaux dans la matrice est comparable à celle de l'échantillon solutionné présenté sur la figure 4b.

3.3. Propriété

La figure 7 montre le taux de récupération de forme et la déformation de récupération de l'échantillon mis en solution. Le taux de récupération de forme a diminué de 83,1 % à 35,2 % lorsque la contrainte a augmenté de 2 % à 8 % et la déformation de récupération correspondante a augmenté de 0,67 % à 1,97 %.

L'effet de mémoire de forme après grenaillage et recuit ultérieur à différentes températures est illustré à la figure 8. Le taux de récupération de forme est de 78,5 % à 4 % de pré-déformation pour l'éprouvette recuite à 850 ◦C, et il peut être augmenté à 92,5. % avec une température de recuit de 650 ◦C.

Ces taux de récupération de forme sont nettement supérieurs à ceux de l'échantillon mis en solution à 4 % de pré-déformation. Les taux de récupération de forme ont diminué avec l'augmentation de la contrainte, sauf à 10 % de pré-déformation pour les éprouvettes recuites à 750 ◦C et 850 ◦C.

La figure 8b montre la variation de la déformation de récupération de forme avec retenue. Il semble que l'influence de la température de recuit sur la déformation de récupération ne soit pas significative, bien que la température de recuit de 650 ◦C montre un effet légèrement meilleur.

Les déformations de récupération peuvent augmenter d'environ 1,5 % à 3,8 % à mesure que la retenue augmente de 4 % à 10 %, ce qui est supérieur à celui de l'échantillon mis en solution avec la même retenue.

Par rapport à l'échantillon mis en solution, le taux de récupération de forme et la déformation de récupération ont montré une augmentation de 61 % et 24 %, respectivement, à 4 % de pré-déformation pour l'échantillon grenaillé puis recuit à 650 ◦C.

Ces augmentations ont atteint respectivement 67 % et 44 % lorsque le taux de restriction a été porté à 8 %. Les résultats mesurés montrent que le processus de grenaillage et de recuit ultérieur améliore considérablement l'effet de mémoire de forme de l'alliage Fe-24Mn-6Si-9Cr-6Ni. Une déformation plastique importante s'est produite dans la couche superficielle lorsque les alliages ont été soumis au grenaillage. La transformation martensitique, le maclage et le glissement de dislocation induits par la contrainte ont contribué à la déformation plastique.

Par conséquent, une transformation martensitique inverse, une récupération, une recristallisation et même une recristallisation secondaire pourraient se produire pendant le recuit. Dans ce processus, une fine microstructure peut être formée dans la couche superficielle, comme le montrent les figures 5 et 6a.

Il a été observé que le raffinement des grains peut améliorer l'effet de mémoire de forme car les joints de grains peuvent renforcer la phase mère et entraver la croissance de la martensite dans différentes orientations [28]. De plus, la 0-martensite a été introduite lors du grenaillage et est restée après le recuit dans cette étude. La présence de 0-martensite est supposée diminuer le glissement permanent pendant la précontrainte en raison de sa limite d'élasticité plus élevée par rapport à celle de la -austénite ; ainsi, un degré plus élevé de récupération de forme peut être obtenu [27].

De plus, des recherches ont montré que la 0-martensite introduite par traitement thermomécanique peut empêcher les collisions entre différentes bandes de ε-martensite et faire en sorte que les bandes se forment de manière spécifique au domaine lors de la déformation, bénéficiant ainsi de l'effet de mémoire de forme [25]. Cette étude a utilisé grenaillage et recuit ultérieur pour traiter l'alliage Fe-24Mn-6Si9Cr-6Ni.

Un raffinement de la microstructure et de la 0-martensite sont observés dans les échantillons après le grenaillage et le recuit ultérieur. Leur taux de récupération de forme et leur déformation de récupération s'améliorent considérablement par rapport à ceux de l'échantillon mis en solution.

Les résultats montrent que le grenaillage est une technologie potentielle pour améliorer l’effet mémoire de forme des alliages Fe-Mn-Si-Cr-Ni. Cependant, le mécanisme détaillé de l’évolution de la microstructure, de la transformation de phase et de l’amélioration de l’effet mémoire de forme reste flou, nécessitant des recherches supplémentaires.

4. Conclusions

(1) La 0-martensite a été introduite dans l'alliage Fe-24Mn-6Si-9Cr-6Ni lors du grenaillage et est restée après le recuit. La quantité de 0-martensite de la couche superficielle a augmenté lorsque la température de recuit a augmenté de 650 ◦C à 850 ◦C.

(2) La microstructure de la couche superficielle a été affinée après grenaillage et recuit ultérieur. Le degré de recristallisation de la couche superficielle augmente avec la température de recuit.

(3) Par rapport à ceux de l'échantillon mis en solution, le taux de récupération de forme et la déformation de récupération sont significativement augmentés pour l'alliage Fe-24Mn-6Si-9Cr-6Ni après grenaillage. et recuit ultérieur.

Contributions des auteurs : Conceptualisation, HY et YW ; méthodologie, HY et YW ; analyse formelle, HY, WY et YW ; enquête, WY, XD et MZ ; ressources, HY; préparation à l'écriture et à l'ébauche originale, HY ; rédaction-révision et révision, HY et YW ; supervision, HY; administration de projet, HY ; acquisition de financement, HY Tous les auteurs ont lu et accepté la version publiée du manuscrit.

Financement : Cette recherche a été financée par le Département des sciences et technologies de la province chinoise du Shaanxi, numéro de projet 2020JQ-676, et par le Shaanxi Key Laboratory of Nano Materials and Technology.

Déclaration du comité d'examen institutionnel : sans objet.

Déclaration de consentement éclairé : sans objet.

Déclaration de disponibilité des données : sans objet.

Conflits d'intérêts : Les auteurs ne déclarent aucun conflit d'intérêts.

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