Melhorando o efeito de memória de forma de uma liga Fe-Mn-Si-Cr-Ni por meio de Shot Peening

Resumo:

Para melhorar o efeito de memória de forma, a liga Fe{0}}Mn-6Si-9Cr-6Ni solucionada foi shotpeened e posteriormente recozida. O constituinte da fase foi examinado pelo método de difração de raios X.

O efeito memória refere-se ao fato de que no processo de aprendizagem e memorização, após repetidas repetições e consolidação, a memória formada pode ser armazenada no cérebro de forma mais firme e profunda. Memória refere-se à força da memória das pessoas, ou seja, à capacidade de memória das pessoas e ao escopo e qualidade do conteúdo que pode ser lembrado.

Existe uma estreita relação entre o efeito memória e a memória. O efeito memória terá um impacto positivo na melhoria da memória das pessoas.

Em primeiro lugar, através da aprendizagem e da memória repetidas, as pessoas podem compreender e dominar melhor o conhecimento, e utilizar esse conhecimento a qualquer hora e em qualquer lugar da vida quotidiana, melhorando assim a memória.

Em segundo lugar, através de meios científicos e tecnológicos modernos, tais como flashcards, software de revisão, etc., a repetição contínua da memória pode melhorar eficazmente o efeito memória, melhorando assim de forma mais eficaz a memória das pessoas.

Além disso, existem muitos métodos e técnicas para ajudar as pessoas a melhorar o efeito memória, como organizar informações, estabelecer associações e associações e fazer múltiplas repetições em um curto período. A aplicação destas técnicas e métodos pode não só melhorar o efeito memória, mas também ter um impacto positivo na melhoria da memória.

Em suma, o efeito memória e a memória estão intimamente ligados. Através do aprendizado e da memória contínuos, nossa memória pode ser armazenada de forma mais profunda e firme, melhorando muito nossa memória. Portanto, devemos utilizar ativamente vários meios e técnicas científicas e tecnológicas para melhorar os efeitos da memória, para fortalecer continuamente a nossa memória e para melhor nos adaptarmos à vida moderna. Percebe-se que precisamos melhorar nossa memória. Cistanche pode melhorar significativamente a memória porque é um material medicinal tradicional chinês com muitos efeitos únicos, um dos quais é melhorar a memória. O efeito do Cistanche vem dos vários ingredientes ativos que contém, incluindo ácido tânico, polissacarídeos, glicosídeos flavonóides, etc.

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A evolução da microestrutura foi caracterizada utilizando um microscópio óptico e o método de difração de retroespalhamento eletrônico, e o efeito de memória de forma foi avaliado através de um teste de flexão. Os resultados mostram que 0-0-martensita e ε-martensita foram introduzidas na camada superficial granalhada.

A 0-martensita permaneceu após o recozimento mesmo a 850 ◦C. A microestrutura da camada superficial foi refinada através de shot peening e posterior recozimento. Em comparação com aqueles da amostra solucionada, a taxa de recuperação de forma e a deformação de recuperação das amostras que são shotpeened e posteriormente recozidas são significativamente melhoradas em diferentes restrições.

Palavras-chave: liga com memória de forma; Liga Fe-Mn-Si-Cr-Ni; shot peening; microestrutura; transformação de fase.

1. Introdução

Ligas com memória de forma (SMAs) são um tipo de material que pode restaurar sua forma original após deformação. As ligas NiTi são excelentes SMAs. Eles podem recuperar grandes deformações de 6–8% devido ao efeito de memória de forma e superelasticidade [1,2].

No entanto, apresentam baixa trabalhabilidade a frio e alto custo, limitando suas aplicações em larga escala [1,3]. Consequentemente, os SMAs baseados em FeMn-Si atraíram interesse significativo recentemente devido ao seu efeito de memória de forma comparável e baixo custo [3–8].

O efeito de memória de forma dos SMAs baseados em Fe-Mn-Si resulta de uma transformação de fase -austenita em ε-martensita induzida por estresse e sua transformação reversa no aquecimento subsequente acima da temperatura Af. O deslocamento de cisalhamento causa a transformação martensítica, resultando na formação de discordâncias parciais de Shockley e falhas de empilhamento em (111) planos atômicos compactos.

Existem 12 sistemas de cisalhamento que consistem em quatro (111) planos e três<112>instruções. Portanto, 12 variantes da ε-martensita podem ser formadas quando a -austenita é carregada. Apenas uma variante da ε-martensita foi introduzida em ligas monocristalinas de Fe-Mn-Si usando tensão de tração aplicada ao longo do<414>direção, produzindo uma grande tensão de recuperação de 9% [9].

Colisões entre as diferentes variantes ocorreram à medida que o número de variantes aumentou, e uma 0-martensita foi produzida, diminuindo a recuperação da forma [10–12]. Esforços devem ser feitos para promover a transformação martensítica na deformação plástica e a reversibilidade cristalográfica da transformação reversa para alcançar um alto efeito de memória de forma [13].

Para os SMAs policristalinos baseados em Fe-Mn-Si, um bom efeito de memória de forma é mais provável se a liga tiver baixa energia de falha de empilhamento, alta resistência da fase pai, Ms perto da temperatura Néel TN e uma relação c/a ideal (1,633 ) da fase ε [14].

O projeto da composição química pode influenciar o efeito de memória de forma, afetando a propriedade mecânica da matriz pai, estabilidade de fase, parâmetros de rede, energia de falha de empilhamento, Ms e TN [13]. Os constituintes de Mn e Si são os elementos necessários em SMAs baseados em Fe-Mn-Si. Mn pode endurecer a -austenita e aumentar a reversibilidade da ε-martensita, inibindo a formação de 0-martensita [15].

O Si aumenta a reversibilidade, reduzindo a mudança no volume de transformação e a incompatibilidade atômica interfacial [16]. A adição de Cr e Ni poderia aumentar a resistência à corrosão e melhorar o efeito de memória de forma, aumentando a relação c/a [17]. Exceto para o design da liga, diferentes tecnologias de processamento foram usadas para melhorar o efeito de memória de forma, otimizando a microestrutura [1] .

Foi indicado que precipitados de segunda fase em Fe-15Mn-5Si-9Cr-5Ni SMA podem ser produzidos por laminação convencional, laminação assimétrica e canal angular igual (ECAP) prensagem seguida de recozimento [7].

Grãos ultrafinos ou finos foram induzidos em SMAs baseados em Fe-Mn-Si por meio de laminação de velocidade diferencial de alta relação [18], ECAP [19] e torção de alta velocidade e alta pressão [20], e seu efeito de memória de forma foi melhorado significativamente. Shot peening é um processo universal de modificação de superfície usado para muitos equipamentos e peças de engenharia, que pode refinar a microestrutura, fortalecer o material e introduzir tensão residual. A deformação plástica severa ocorre na camada superficial e diminui gradualmente com a profundidade para o material submetido ao shot peening [21].

Portanto, uma variação significativa da microestrutura pode ser esperada na camada superficial dos SMAs shotpeened. Este estudo explora a viabilidade de melhorar o efeito de memória de forma da liga Fe-MnSi-Cr-Ni usando shot peening e examina a evolução microestrutural. Neste estudo, uma liga Fe-Mn-Si-Cr-Ni foi shot peened e posteriormente recozida.

A constituição da fase e a evolução microestrutural foram investigadas. O efeito memória de forma foi avaliado por meio de um teste de flexão, e a influência do shot peening no efeito memória de forma foi discutida.

2. Detalhes Experimentais

A liga Fe-24Mn-6Si-9Cr-6Ni foi produzida através de um processo que consiste em fusão a vácuo, fundição, forjamento e laminação a quente. A composição química da liga foi analisada utilizando um espectrômetro (Perkin Elmer Optima 8300, Waltham, MA, EUA), e os resultados são mostrados na Tabela 1.

Após o tratamento em solução, a liga Fe{{0}}Mn-6Si-9Cr-6Ni foi shot peened. O padrão XRD da camada superficial martelada é mostrado na Figura 3. O pico de difração de (110) 0 se sobrepõe ao de (0002)ε em 2θ=44 .7674◦ e (211) 0 se sobrepõem a (1013) ¯ε at2θ=82.6083◦, conforme mostrado na Figura 3a. A presença de ε-martensita e 0-martensita não pode ser inferida a partir desses dois picos. No entanto, picos de difração significativos de (200) 0 e (220) 0 podem ser observados em 65,0844◦ e 99,3183◦, respectivamente.

Um pico fraco de (101¯1)ε está presente em 46,8263◦. Portanto, pode-se confirmar que a camada superficial da liga de Fe-24Mn-6Si-9Cr-6Ni jateada consiste em 0-martensita e ε -martensita.

Este resultado experimental é inesperado porque o Mn pode prevenir a formação de 0-martensita [15], que geralmente é introduzida nas ligas Fe-Mn-Si com teor de Mn < 20% em peso, como Fe-14Mn{ {6}}Si8Cr-4Ni [25], Fe–14Mn–5Si–9Cr–5Ni [26,27] e Fe-18Mn-5.5Si-9 .5Cr-Ni [12].

Após shot peening, as amostras foram recozidas a 650 ◦C, 750 ◦C e 850 ◦C por 30 min. A -austenita, ε-martensita e 0-martensita podem ser identificadas para a amostra recozida a 650 ◦C a partir do padrão XRD mostrado na Figura 3b, indicando que uma transformação martensítica reversa substancial ocorreu durante o recozimento a 650 ◦C para o shot- espécime martelado.

No entanto, os picos de difração da -austenita não podem ser observados à medida que a temperatura de recozimento aumenta para 750 ◦C. Os picos da ε-martensita também se tornam fracos. Comparado com os picos de difração (200) 0 e (220) 0 mostrados na Figura 3a,b, a intensidade dos dois picos aumentou e sua largura total na metade do máximo diminuiu à medida que a temperatura de recozimento aumentou para 750 ◦C.

Quando a temperatura de recozimento foi aumentada para 850 ◦C, o pico de difração (101¯1)ε quase desapareceu, e as intensidades de pico (200) 0 e (220) 0 aumentaram em 24,4% e 17,2%, respectivamente, em comparação com os da amostra recozida a 750 ◦C.

Isto implica que a fração volumétrica de 0-martensita na camada superficial granalhada aumentou quando a temperatura de recozimento aumentou de 650 ◦C para 850 ◦C.

3.2. Evolução Microestrutural

A Figura 4 mostra as imagens EBSD da amostra solucionada, o que mostra que a microestrutura está boa. O tamanho médio do grão é estimado em aproximadamente 9 µm analisando a Figura 4a. Foi apontado que gêmeos são comumente observados em -austenita de SMAs à base de Fe-Mn-Si após processamento termomecânico [3,8].

Neste estudo, uma alta densidade de limite duplo pode ser encontrada na liga de Fe-24Mn-6Si-9Cr6Ni solucionada (Figura 4b). Investigações mostraram que os limites gêmeos são prejudiciais ao efeito de memória de forma dos SMAs baseados em Fe-Mn-Si devido às interações entre o limite gêmeo e a ε-martensita [3,8].

Como uma tecnologia de processamento de deformação plástica severa de superfície, o shot peening pode introduzir alta densidade de deslocamento e energia armazenada na camada superficial dos materiais alvo. Uma evolução microestrutural significativa da camada superficial pode acontecer durante o recozimento subsequente em altas temperaturas. Para a liga de Fe-24Mn-6Si{3}}Cr-6Ni jateada a 650 ◦C neste estudo, a Figura 5a mostra que a morfologia da camada superficial exibe uma diferença marcante da matriz, que pode ser atribuída à ocorrência de transformação, recuperação e recristalização martensítica reversa na camada superficial durante o recozimento. Isto indica o refinamento dos resultados da microestrutura do shot peening e do recozimento subsequente.

À medida que a temperatura de recozimento aumentou, a quantidade de recristalização da camada superficial aumentou (Figura 5a, c). Grãos recristalizados de pequeno tamanho podem ser vistos na camada superficial da amostra recozida a 850 ◦C. Imagens EBSD da camada superficial da amostra recozida a 850 ◦C são mostradas na Figura 6a,b. Devido à diferença no comportamento de recristalização, os grãos das camadas A, B, C e D tornam-se gradualmente maiores à medida que a profundidade da superfície jateada aumenta.

O tamanho médio de grão da camada superficial superior A com uma profundidade de aproximadamente 30 µm é de aproximadamente 1,7 µm, que é muito menor que o da amostra solucionada. O tamanho médio de grão da camada B aumentou para aproximadamente 2,7 µm.

Existem vários grãos com tamanhos grandes nas camadas C e D, mas o tamanho médio dos grãos permanece pequeno. A variação dos tamanhos médios de grãos nas quatro camadas é ilustrada na Figura 6c, mostrando uma distribuição gradual significativa.

Enquanto isso, muitos limites gêmeos podem ser encontrados na amostra martelada e posteriormente recozida a 850 ◦C (Figura 6a).

O mapa correspondente dos limites gêmeos ∑3 é mostrado na Figura 6b, mostrando que a densidade dos limites gêmeos é significativamente alta na camada superficial e diminui gradualmente com a profundidade. A densidade dos limites gêmeos na matriz é comparável à da amostra solucionada mostrada na Figura 4b.

3.3. Propriedade

A Figura 7 mostra a taxa de recuperação de forma e a deformação de recuperação da amostra solucionada. A taxa de recuperação de forma diminuiu de 83,1% para 35,2% quando a restrição aumentou de 2% para 8% e a deformação de recuperação correspondente aumentou de 0,67% para 1,97%.

O efeito de memória de forma após shot peening e subsequente recozimento em diferentes temperaturas é mostrado na Figura 8. A taxa de recuperação de forma é mostrada como sendo de 78,5% a 4% de pré-deformação para a amostra recozida a 850 ◦C, e pode ser aumentada para 92,5. % com temperatura de recozimento de 650 ◦C.

Estas taxas de recuperação de forma são significativamente mais altas do que as da amostra solucionada com 4% de pré-deformação. As taxas de recuperação de forma diminuíram com o aumento da restrição, exceto em 10% de pré-deformação para as amostras recozidas a 750 ◦C e 850 ◦C.

A Figura 8b mostra a variação da deformação de recuperação de forma com restrição. Parece que a influência da temperatura de recozimento na deformação de recuperação não é significativa, embora a temperatura de recozimento de 650 ◦C mostre um efeito ligeiramente melhor.

As deformações de recuperação podem aumentar de aproximadamente 1,5% para 3,8% à medida que a contenção aumenta de 4% para 10%, o que é superior ao da amostra solucionada na mesma contenção.

Em comparação com a amostra solucionada, a taxa de recuperação de forma e a deformação de recuperação mostraram um aumento de 61% e 24%, respectivamente, a 4% de pré-deformação para a amostra jateada e posteriormente recozida a 650 ◦C.

Esses incrementos atingiram 67% e 44%, respectivamente, quando a restrição foi aumentada para 8%. Os resultados medidos mostram que o processo de shot peening e subsequente recozimento melhora significativamente o efeito de memória de forma da liga Fe-24Mn-6Si-9Cr-6Ni. Severas deformações plásticas ocorreram na camada superficial quando as ligas foram submetidas ao shot peening. A transformação martensítica induzida por tensão, a geminação e o deslizamento das discordâncias contribuíram para a deformação plástica.

Portanto, a transformação martensítica reversa, a recuperação, a recristalização e até mesmo a recristalização secundária poderiam acontecer durante o recozimento. Neste processo, uma microestrutura fina pode ser formada na camada superficial, conforme mostrado nas Figuras 5 e 6a.

Foi observado que o refinamento do grão pode melhorar o efeito de memória de forma porque os contornos dos grãos podem fortalecer a fase original e dificultar o crescimento da martensita em diferentes orientações [28]. Além disso, a 0-martensita foi introduzida durante o shot peening e permaneceu após o recozimento neste estudo. Presume-se que a presença de 0-martensita diminui o deslizamento permanente durante o pré-deformação devido ao seu maior limite de escoamento em comparação com o da -austenita; assim, um maior grau de recuperação de forma pode ser obtido [27].

Além disso, a pesquisa mostrou que a 0-martensita introduzida por meio de tratamento termomecânico pode evitar colisões entre diferentes bandas de ε-martensita e fazer com que as bandas se formem de maneira específica do domínio durante a deformação, beneficiando o efeito de memória de forma [25]. shot peening e subsequente recozimento para processar a liga Fe-24Mn-6Si9Cr-6Ni.

O refinamento da microestrutura e a 0-martensita são observados nos corpos de prova após o shot peening e posterior recozimento. Sua taxa de recuperação de forma e tensão de recuperação melhoram significativamente em comparação com as da amostra solucionada.

Os resultados mostram que o shot peening é uma tecnologia potencial para melhorar o efeito de memória de forma de ligas Fe-Mn-Si-Cr-Ni. No entanto, o mecanismo detalhado da evolução da microestrutura, da transformação de fase e da melhoria do efeito de memória de forma permanece obscuro, exigindo mais pesquisas.

4. Conclusões

(1) A 0-martensita foi introduzida na liga Fe-24Mn-6Si-9Cr-6Ni durante o shotpeening e permaneceu após o recozimento. A quantidade de 0-martensita da camada superficial aumentou quando a temperatura de recozimento aumentou de 650 ◦C para 850 ◦C.

(2) A microestrutura da camada superficial foi refinada após shot peening e subsequente recozimento. A quantidade de recristalização da camada superficial aumentou com a temperatura de recozimento.

(3) Em comparação com aqueles da amostra solucionada, a taxa de recuperação de forma e a deformação de recuperação são significativamente aumentadas para a liga Fe-24Mn-6Si-9Cr-6Ni após shotpeening e posterior recozimento.

Contribuições dos Autores: Conceituação, HY e YW; metodologia, HY e YW; análise formal, HY, WY e YW; investigação, WY, XD e MZ; recursos, HY; elaboração do rascunho original, HY; redação-revisão e edição, HY e YW; supervisão, HY; administração do projeto, HY; aquisição de financiamento, HY Todos os autores leram e concordaram com a versão publicada do manuscrito.

Financiamento: Esta pesquisa foi financiada pelo Departamento de Ciência e Tecnologia da província de Shaanxi, na China, projeto número 2020JQ-676, e pelo Laboratório Chave de Nano Materiais e Tecnologia de Shaanxi.

Declaração do Conselho de Revisão Institucional: Não aplicável.

Termo de Consentimento Livre e Esclarecido: Não aplicável.

Declaração de disponibilidade de dados: Não aplicável.

Conflitos de interesse: Os autores declaram não haver conflito de interesses.

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