ショットピーニングによるFe-Mn-Si-Cr-Ni合金の形状記憶効果の向上
Jun 18, 2024
抽象的な：
形状記憶効果を改善するために、溶体化した Fe-24Mn-6Si-9Cr-6Ni 合金にショットピーニングを施し、その後アニールしました。相成分はＸ線回折法を用いて調べた。
記憶効果とは、学習と記憶の過程で、反復と定着を繰り返すことにより、形成された記憶がよりしっかりと深く脳に保存されるという事実を指します。記憶とは、人々の記憶の強さ、つまり、人々の記憶能力と記憶できる内容の範囲と質を指します。
メモリー効果と記憶の間には密接な関係があります。記憶効果は人々の記憶力の向上にプラスの影響を与えます。
まず、学習と記憶を繰り返すことで、人は知識をよりよく理解して習得し、日常生活でいつでもどこでもその知識を使用できるようになり、それによって記憶力が向上します。
第二に、フラッシュカードや復習ソフトウェアなどの現代の科学技術的手段を通じて、記憶を継続的に繰り返すことで記憶効果を効果的に向上させることができ、それによって人々の記憶力をより効果的に向上させることができます。
さらに、情報を整理する、関連性や関連性を確立する、短期間で複数回繰り返すなど、記憶効果を向上させるための方法やテクニックは数多くあります。これらの技術や方法を適用すると、記憶効果を改善できるだけでなく、記憶力の向上にもプラスの影響を与えることができます。
つまり、メモリー効果と記憶は密接に関係しているのです。継続的な学習と記憶により、記憶はより深くしっかりと保存され、記憶力が大幅に向上します。したがって、私たちは記憶効果を改善し、継続的に記憶力を強化し、現代生活によりよく適応するために、さまざまな科学技術的手段と技術を積極的に使用する必要があります。記憶力を向上させる必要があることがわかります。カンクは多くのユニークな効果を持つ伝統的な漢方薬素材であるため、記憶力を大幅に向上させることができます。その1つは記憶力の向上です。シスタンケの効果は、タンニン酸、多糖類、フラボノイド配糖体など、含まれるさまざまな有効成分によってもたらされます。これらの成分は、さまざまな方法で脳の健康を促進します。
微細構造の進化は光学顕微鏡と電子後方散乱回折法を使用して特性評価され、形状記憶効果は曲げ試験を使用して評価されました。結果は、0-0-マルテンサイトとεマルテンサイトがショットピーニングされた表層に導入されたことを示しています。
0-マルテンサイトは 850 °C での焼鈍後も残りました。表面層の微細構造は、ショットピーニングとその後のアニーリングによって微細化されました。溶体化試験片と比較して、ショットピーニングとその後の焼鈍を行った試験片の形状回復率と回復ひずみは、さまざまな拘束条件で大幅に向上しています。
キーワード: 形状記憶合金。 Fe-Mn-Si-Cr-Ni合金;ショットピーニング。微細構造。相転移。
1. はじめに
形状記憶合金 (SMA) は、変形後に元の形状を復元できる材料の一種です。 NiTi 合金は優れた SMA です。形状記憶効果と超弾性により、6 ～ 8% の大きなひずみを回復できます [1,2]。
ただし、冷間加工性が低く、コストが高いため、大規模な用途が制限されます [1、3]。その結果、FeMn-Si ベースの SMA は、同等の形状記憶効果と低コストのため、最近大きな関心を集めています [3-8]。
Fe-Mn-Si ベースの SMA の形状記憶効果は、応力誘起のオーステナイトからε-マルテンサイトへの相変態と、その後の温度 Af を超える加熱でのその逆変態に起因します。せん断変位はマルテンサイト変態を引き起こし、その結果、(111)最密原子面上にショックレー部分転位および積層欠陥が形成されます。
4 つの (111) 平面と 3 つの平面で構成される 12 のせん断システムがあります。<112>方向。したがって、-オーステナイトが負荷されると、ε-マルテンサイトの 12 の変形が形成される可能性があります。 ε-マルテンサイトの 1 つの変形のみが、線に沿って加えられる引張応力を使用して単結晶 Fe-Mn-Si 合金に導入されました。<414>方向に曲げると、9% という大きな回復ひずみが得られます [9]。
バリアントの数が増えると、異なるバリアント間の衝突が発生し、0- マルテンサイトが生成され、形状回復が減少します [10-12]。高い形状記憶効果を達成するには、塑性変形におけるマルテンサイト変態とその逆変態の結晶学的可逆性を促進する努力が必要です [13]。
多結晶 Fe-Mn-Si ベースの SMA の場合、合金の積層欠陥エネルギーが低く、母相の強度が高く、ネール温度 TN に近いMs と理想的な c/a 比 (1.633) を備えている場合、良好な形状記憶効果が得られる可能性が高くなります。 ) ε 相 [14]。
化学組成の設計は、親マトリックスの機械的特性、相安定性、格子パラメータ、積層欠陥エネルギー、Ms、TN に影響を与えることにより、形状記憶効果に影響を与える可能性があります [13]。 Mn および Si 成分は、Fe-Mn-Si ベースの SMA に必要な元素です。 Mn は、0- マルテンサイトの形成を阻害することで、α-オーステナイトを硬化させ、ε-マルテンサイトの可逆性を高めることができます [15]。
Si は、変換体積の変化と界面原子の不一致を減少させることで可逆性を高めます [16]。 Cr と Ni を添加すると、c/a 比が増加することで耐食性が向上し、形状記憶効果が向上する可能性があります [17]。合金設計を除き、微細構造を最適化することで形状記憶効果を向上させるために、さまざまな加工技術が使用されています [1]。 。
Fe-15Mn-5Si-9Cr-5Ni SMA の第 2 相析出物は、従来の圧延、非対称圧延、および等チャンネル角圧延によって生成できることが示されています。 (ECAP) プレスとそれに続くアニーリング [7]。
高比差動圧延[18]、ECAP[19]、および高速高圧ねじり[20]により、Fe-Mn-Si系SMAに超微細または微粒子が誘導され、その形状記憶効果が向上しました大幅。ショットピーニングは、多くのエンジニアリング機器や部品に使用される普遍的な表面改質プロセスであり、微細構造を微細化し、材料を強化し、残留応力を導入することができます。ショットピーニングを施した材料では、激しい塑性変形が表層で発生し、深さとともに徐々に減少します[21]。
したがって、ショットピーニングされたSMAの表層では、重大な微細構造の変化が予想されます。この研究では、ショットピーニングを使用してFe-MnSi-Cr-Ni合金の形状記憶効果を改善する可能性を調査し、微細構造の進化を調べます。この研究では、Fe-Mn-Si-Cr-Ni 合金にショットピーニングを施し、その後アニールしました。
相構成と微細構造の進化を研究した。曲げ試験を用いて形状記憶効果を評価し、形状記憶効果に及ぼすショットピーニングの影響を検討した。
2. 実験の詳細
Fe-24Mn-6Si-9Cr-6Ni 合金は、真空溶解、鋳造、鍛造、熱間圧延からなるプロセスを通じて製造されました。合金の化学組成は分光計（Perkin Elmer Optima 8300、Waltham、MA、USA）を使用して分析され、結果が表 1に示されています。
溶体化処理後、Fe{0}Mn-6Si-9Cr-6Ni 合金にショットピーニングを施しました。ピーニングされた表面層の XRD パターンを図 3 に示します。(110) 0 の回折ピークは、2θ=44 で (0002)ε の回折ピークと重なっています。図 3a に示すように、.7674°、および (211) 0 は (1013) ￣ε at2θ=82.6083° とオーバーラップします。 ε マルテンサイトと 0- マルテンサイトの存在は、これら 2 つのピークからは推測できません。それにもかかわらず、(200) 0 および(220) 0 の顕著な回折ピークがそれぞれ 65.0844° および 99.3183° で観察されます。
(101￣1)ε の弱いピークが 46.8263° に存在します。したがって、ショットピーニングされたFe-24Mn-6Si-9Cr-6Ni合金の表層は0-マルテンサイトとεで構成されていることが確認できます-マルテンサイト。
Mn は 0- マルテンサイト [15] の形成を防ぐことができるため、この実験結果は予想外でした。マルテンサイトは通常、Fe-14Mn{ など、Mn 含有量が 20 wt% 未満の Fe-Mn-Si 合金に導入されます。 {6}}Si8Cr-4Ni [25]、Fe-14Mn-5Si-9Cr-5Ni [26,27]、および Fe-18Mn-5.5Si-9 .5Cr-Ni [12]。
ショットピーニング後、試験片を 650 °C、750 °C、および 850 °C で 30 分間アニールしました。図 3b に示す XRD パターンから、650 °C で焼鈍した試験片については、オーステナイト、ε-マルテンサイト、および 0- マルテンサイトを特定できます。これは、ショットの 650 °C での焼鈍中にかなりの逆マルテンサイト変態が発生したことを示しています。ピーニングされた標本。
ただし、焼鈍温度が 750 °C まで上昇すると、-オーステナイトの回折ピークは観察できなくなります。 εマルテンサイトピークも弱くなる。図3a、bに示す(200) 0 および(220) 0 回折ピークと比較して、アニーリング温度が750 °Cに上昇するにつれて、2つのピークの強度は増加し、半値全幅は減少しました。
アニーリング温度が 850 °C に上昇すると、(101￣1)ε 回折ピークはほぼ消失し、(200) 0 および (220) 0 ピーク強度は 24.4% 増加しました。 750℃でアニールした試験片と比較して、それぞれ17.2%。
これは、焼鈍温度が 650 °C から 850 °C に上昇すると、ショットピーニングされた表面層の 0- マルテンサイトの体積分率が増加したことを意味します。
3.2.微細構造の進化
図 4 に溶体化試験片の EBSD 画像を示します。微細構造が良好であることがわかります。図 4a を分析すると、平均粒径は約 9 μm と推定されます。熱機械加工後の Fe-Mn-Si ベースの SMA の - オーステナイトでは双晶が一般的に観察されることが指摘されています [3,8]。
この研究では、溶体化した Fe-24Mn-6Si-9Cr6Ni 合金に高密度の双晶境界が見られます (図 4b)。研究により、双晶境界は、双晶境界とεマルテンサイトとの間の相互作用により、Fe-Mn-Si ベースの SMA の形状記憶効果に有害であることが示されています [3,8]。
表面の厳しい塑性変形加工技術として、ショットピーニングは、ターゲット材料の表層に高い転位密度と蓄積エネルギーを導入することができます。その後の高温でのアニーリング中に、表層の顕著な微細構造の進化が起こる可能性があります。この研究でショットピーニングした Fe-24Mn-6Si-9Cr-6Ni 合金を 650 °C で焼鈍した場合、図 5a は表面層の形態が次のことを示しています。マトリックスとの顕著な違いは、焼鈍中に表層で逆マルテンサイト変態、回復、および再結晶が発生することに起因すると考えられます。これは、ショットピーニングとその後のアニーリングによって微細構造が微細化されたことを示しています。
アニーリング温度が上昇すると、表面層の再結晶量が増加しました（図 5a、c）。 850℃で焼鈍した試験片の表層には小さなサイズの再結晶粒が見られます。 850℃でアニールした試験片の表面層のEBSD画像を図6a、bに示します。再結晶挙動の違いにより、A層、B層、C層、D層の結晶粒はショットピーニング面から深くなるにつれて徐々に大きくなります。
深さ約 30 µm の最表面層 A の平均結晶粒径は約 1.7 µm であり、溶体化試験片の平均結晶粒径よりも大幅に小さくなります。層Ｂの平均粒径は約２．７μｍまで増加した。
層 C および D には大きなサイズの粒子がいくつかありますが、平均粒子サイズは小さいままです。 4 つの層にわたる平均粒径の変化は図 6c に示されており、かなり緩やかな分布を示しています。
一方、ショットピーニングされ、その後 850 °C でアニールされた試験片には多くの双晶境界が見られます (図 6a)。
Σ3 双晶境界の対応するマップを図 6b に示します。これは、双晶境界の密度が表層で著しく高く、深さとともに徐々に減少することを示しています。マトリックス内の双晶境界の密度は、図 4b に示す溶体化試料の密度に匹敵します。
3.3.財産
図７に溶体化試験片の形状回復率と回復ひずみを示す。拘束が 2% から 8% に増加すると、形状回復率は 83.1% から 35.2% に減少し、対応する回復ひずみは 0.67% から 1.97% に増加しました。
ショットピーニングとその後のさまざまな温度でのアニーリング後の形状記憶効果を図 8 に示します。形状回復率は、850 °C でアニーリングした試験片の 4% 予ひずみで 78.5% であることが示されており、92.5 まで高めることができます。 % は 650 °C のアニーリング温度で発生します。
これらの形状回復率は、4% 予ひずみでの溶体化試験片の形状回復率よりも大幅に高くなります。形状回復率は750℃と850℃で焼鈍した試験片の10%予ひずみを除いて拘束の増加とともに減少した。
図 8b は、拘束による形状回復ひずみの変化を示しています。回復ひずみに対するアニーリング温度の影響は顕著ではないようですが、650 °C のアニーリング温度はわずかに優れた効果を示しています。
拘束が 4% から 10% に増加すると、回復ひずみは約 1.5% から 3.8% に増加します。これは、同じ拘束での溶体化試験片のひずみよりも高くなります。
溶体化試験片と比較して、ショットピーニングし、その後 650 °C で焼き鈍した試験片では、4% 予ひずみで形状回復率と回復ひずみがそれぞれ 61% と 24% 増加しました。
抑制を8%に増加すると、これらの増加はそれぞれ67%と44%に達した。測定結果は、ショットピーニングとそれに続く焼きなましのプロセスにより、Fe-24Mn-6Si-9Cr-6Ni 合金の形状記憶効果が大幅に向上することを示しています。合金にショットピーニングを施すと、表層に激しい塑性変形が発生しました。応力誘起マルテンサイト変態、双晶形成、および転位滑りが塑性変形に寄与した。
したがって、焼鈍中に逆マルテンサイト変態、回復、再結晶化、さらには二次再結晶化が発生する可能性があります。このプロセスでは、図5および6aに示すように、表面層に微細な微細構造を形成できます。
粒界が母相を強化し、異なる方位でのマルテンサイトの成長を妨げるため、粒微細化により形状記憶効果が向上することが観察されています[28]。さらに、この研究では、0-マルテンサイトはショットピーニング中に導入され、焼きなまし後に残りました。 0- マルテンサイトの存在は、-オーステナイトと比較して降伏強度が高いため、予ひずみ中の永久滑りを減少させると考えられます。したがって、より高度な形状回復が得られる[27]。
さらに、研究では、熱加工処理を使用して導入された0-マルテンサイトが、異なるεマルテンサイトバンド間の衝突を防ぎ、変形中にドメイン固有の方法でバンドを形成させ、形状記憶効果に利益をもたらすことが示されています[25]。この研究では、 Fe-24Mn-6Si9Cr-6Ni 合金を加工するためのショットピーニングとそれに続く焼きなまし。
ショットピーニングとそれに続く焼きなまし後の試験片では、微細構造の微細化と0-マルテンサイトが観察されます。形状回復率や回復ひずみは溶体化試験片に比べて大幅に向上します。
この結果は、ショットピーニングがFe-Mn-Si-Cr-Ni合金の形状記憶効果を改善する可能性のある技術であることを示しています。しかし、微細構造の進化、相変態、形状記憶効果の向上の詳細なメカニズムは依然として不明であり、さらなる研究が必要です。
4. 結論
(1) 0-マルテンサイトは、ショットピーニング中に Fe-24Mn-6Si-9Cr-6Ni 合金に導入され、焼きなまし後に残りました。焼鈍温度が650℃から850℃に上昇すると、表面層の0-マルテンサイトの量が増加した。
(2) ショットピーニングとその後の焼鈍により、表層の微細構造が微細化された。表層の再結晶量は焼鈍温度とともに増加した。
(3) 溶体化試験片と比較して、ショットピーニング後の Fe-24Mn-6Si-9Cr-6Ni 合金の形状回復率と回復ひずみは大幅に増加します。そしてその後のアニーリング。
著者の寄稿: 概念化、HY および YW。方法論、HY、YW。形式分析、HY、WY、YW。調査、ワイオミング州、XD、MZ。リソース、HY。執筆-原案準備、HY。執筆、レビューおよび編集、HYおよびYW。監修、HY。プロジェクト管理、HY。資金調達、HY、著者全員が原稿の出版版を読んで同意しました。
資金提供: この研究は、中国陝西省科学技術局、プロジェクト番号 2020JQ-676、および陝西省ナノ材料技術重点研究所から資金提供を受けました。
治験審査委員会の声明: 該当なし。
インフォームドコンセント声明: 該当なし。
データの可用性に関する声明: 適用されません。
利益相反: 著者は利益相反がないことを宣言します。
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