Anomalies of thermal expansion/contraction of martensite crystal lattices in Ti–Ni AND Ti–Nb–Zr alloys
- Authors: Dubinskiy S.M.1, Baranova A.P.1, Strachov O.V.1, Shchetinin I.V.1, Bazlov A.I.1, Korotitskiy A.V.1,2, Prokoshkin S.D.1
-
Affiliations:
- The National University of Science and Technology MISIS
- Moscow Polytechnic University
- Issue: Vol 125, No 9 (2024)
- Pages: 1126-1141
- Section: СТРУКТУРА, ФАЗОВЫЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ И ДИФФУЗИЯ
- URL: https://innoscience.ru/0015-3230/article/view/677434
- DOI: https://doi.org/10.31857/S0015323024090077
- EDN: https://elibrary.ru/KEQXTV
- ID: 677434
Cite item
Abstract
The time-temperature changes of martensite lattice parameters (MLPs) of Ti–50.26Ni and Ti–18Zr–14Nb (at%) shape memory alloys have been investigated using X-ray diffraction methods both in situ and ex situ in order to verify the existence of the time dependence of MLPs and to ascertain the extent to which the correct syngony of the martensite lattice is preserved when its parameters change during heating and cooling at temperatures ranging from –180°C to ≥ As. The reversibility of MLP alterations was observed across the entirety of the investigated temperature range, when subjected to disparate combinations of heating and cooling rates (ranging from 0.03 to > 50°C/s). The MLP values remain constant regardless of the duration of X-ray diffraction imaging or holding at a given temperature within the martensite existence interval. The width of the X-ray lines of B19′ and α″ martensite remains constant regardless of the heating and cooling rates and holding times, which suggests the absence of martensite lattice distortions akin to those observed in premartensitic materials, leading to reversible broadening of X-ray lines of austenite with approaching the Мs point in the area of formation of nanodomains of intermediate shear structure. The Fisher criterion (F), nowhere exceeding its critical value, in conjunction with the unaltered width of the X-ray lines, suggests that the undistorted lattice syngony of unconverted martensite crystals has been preserved and that the lattice as a whole has undergone gradual homogeneous shear as the reverse transformation was approached.
Full Text

About the authors
S. M. Dubinskiy
The National University of Science and Technology MISIS
Author for correspondence.
Email: dubinskiy.sm@misis.ru
Russian Federation, Moscow, 119049
A. P. Baranova
The National University of Science and Technology MISIS
Email: dubinskiy.sm@misis.ru
Russian Federation, Moscow, 119049
O. V. Strachov
The National University of Science and Technology MISIS
Email: dubinskiy.sm@misis.ru
Russian Federation, Moscow, 119049
I. V. Shchetinin
The National University of Science and Technology MISIS
Email: dubinskiy.sm@misis.ru
Russian Federation, Moscow, 119049
A. I. Bazlov
The National University of Science and Technology MISIS
Email: dubinskiy.sm@misis.ru
Russian Federation, Moscow, 119049
A. V. Korotitskiy
The National University of Science and Technology MISIS; Moscow Polytechnic University
Email: dubinskiy.sm@misis.ru
Russian Federation, Moscow, 119049; Moscow, 107023
S. D. Prokoshkin
The National University of Science and Technology MISIS
Email: dubinskiy.sm@misis.ru
Russian Federation, Moscow, 119049
References
- Miyazaki S., Kimura S., Otsuka K., Suzuki Y. The habit plane and transformation strains associated with the martensitic transformation in ti-ni single crystals // Scripta Metal. 1984. V. 18. P. 883–888.
- Saburi T., Yoshida M., Nenno S. Deformation Behavior of Shape Memory Ti–Ni Alloy Crystals // Scripta Metal. 1984. V. 18. P. 363–366.
- Прокошкин С.Д., Коротицкий А.В., Браиловский В., Инаекян К.Э., Дубинский С.М. Кристаллическая решетка мартенсита и ресурс обратимой деформации термически и термомеханически обработанных сплавов Ti–Ni с памятью формы // ФММ. 2011. Т. 112. С. 180–198.
- Kim H.Y., Miyazaki S. Martensitic transformation and superelastic properties of Ti–Nb based alloys // Mater. Trans. 2015. V. 56. P. 625–634.
- Dubinskiy S., Prokoshkin S., Brailovski V., Inaekyan K., Korotitskiy A. In situ x-ray diffraction strain-controlled study of Ti–Nb–Zr and Ti–Nb–Ta shape memory alloys: crystal lattice and transformation features // Materials Characterization. 2014. V. 88. P. 127–142.
- Konopatsky A., Dubinskiy S., Zhukova Y., Sheremetyev V., Brailovski V., Prokoshkin S.D., Filonov M.R. Ternary ti-zr-nb and quaternary Ti–Zr–Nb–Ta shape memory alloys for biomedical applications: structural features and cyclic mechanical properties // Mater. Sci. Eng. A. 2017. V. 702. P. 301–311.
- Пушин В.Г., Муслов С.А., Хачин В.Н. Рентгенографическое и электронно-микроскопическое исследование B2-соединений на основе TiNi // ФММ. 1987. Т. 64. С. 802–808.
- Пушин В.Г., Хачин В.Н., Кондратьев В.В., Myслов С.А., Павлова С.П. Структура и свойства В2 соединений титана. I. Предмартенситные Явления // ФММ. 1988. Т. 66. С. 350–358.
- Хачин В.Н., Пушин В.Г., Кондратьев В.В. Никелид титана: структура и свойства: М.: Наука, 1992. 160 с.
- Пушин В.Г., Хачин В.Н., Иванова Л.Ю., Воронин В.П., Юрченко Л.И. Особенности микроструктуры и фазовых превращений в тройных сплавах Ti50Ni50-XCox с эффектом памяти формы. II. Ромбоэдрический Мартенсит // ФММ. 1994. Т. 77. С. 130–141.
- Миронов Ю.П., Кульков С.Н. Исследование мартенситного превращения в TiNi методом рентгенодифракционного кино // Изв. вузов. Физика. 1994. Т. 37. С. 49–54.
- Пушин В.Г., Хачин В.Н., Юрченко Л.И., Муслов С.А., Иванова Л.Ю., Соколова А.Ю. Микроструктура и физические свойства сплавов системы с эффектами памяти формы. Сообщение II. Упругие Свойства // ФММ. 1995. Т. 79. С. 70–76.
- Пушин В.Г., Кондратьев В.В., Хачин В.Н. Предпереходные явления и мартенситные превращения. Екатеринбург: УрО РАН, 1998, 368 с.
- Prokoshkin S.D., Brailovski V., Turenne S., Khmelevskaya I.Y., Korotitskiy A.V., Trubitsyna I.B. Concentration, temperature and deformation dependences of martensite lattice parameters in binary Ti–Ni shape memory alloys // J. Phys. IV. 2003. V. 112. P. 651–654.
- Prokoshkin S., Korotitskiy A., Brailovski V., Turenne S., Khmelevskaya I.Y., Trubitsyna I.B. On the lattice parameters of phases in binary Ti–Ni shape memory alloys // Acta Mater. 2004. V. 52. P. 4479–4492.
- Пушин В.Г., Прокошкин С.Д., Валиев Р.З., Браиловский В., Валиев Э.З., Волков А.Е., Глезер А.М., Добаткин С.В., Дударев Е.Ф., Жу Ю.Т., Зайнулин Ю.Г., Колобов Ю.Р., Кондратьев В.В., Королев А.В., Коршунов А.И., Коуров Н.И., Кудреватых Н.В., Лотков А.И., Мейснер Л.Л., Попов А.А., Попов Н.Н., Разов А.И., Хусаинов М.А., Чумляков Ю.И., Андреев С.В., Батурин А.А., Беляев С.П., Гришков В.Н., Гундеров Д.В., Дюпин А.П., Иванов К.В., Итин В.И., Касымов М.К., Кашин О.А., Киреева И.В., Козлов А.И., Кунцевич Т.Э., Куранова Н.Н., Пушина Н.Ю., Рыклина Е.П., Уксусников А.Н., Хмелевская И.Ю., Шеляков А.В., Шкловер В.Я., Шорохов Е.В., Юрченко Л.И. Сплавы никелида титана с памятью формы. Ч. 1. Структура, Фазовые Превращения и Свойства. Екатеринбург: УрО РАН, 2006.
- Гундырев B.М., Зельдович В.И., Коротицкий А.В., Прокошкин С.Д., Федоров С.В. Низкотемпературное рентгенографическое исследование концентрационных и температурных зависимостей параметров решетки мартенсита бинарных сплавов Ti–Ni // Изв. РАН. Серия физическая. 2006. Т. 70. С. 1349–1354.
- Bönisch M., Panigrahi A., Stoica M., Calin M., Ahrens E., Zehetbauer M., Skrotzki W., Eckert J. Giant thermal expansion and α-precipitation pathways in Ti-alloys // Nature Comm. 2017. V. 8. P. 1429.
- Prokoshkin S.D., Korotitskiy A.V., Gundyrev V.M., Zeldovich V.I. Low-temperature X-ray diffraction study of martensite lattice parameters in binary Ti–Ni alloys // Mater. Sci. Eng. A. 2008. V. 481. P. 489–493.
- Petrzhik M.I., Fedotov S.G. Thermal Stability and Dynamics of Martensitic Structure in Ti – (Ta, Nb) Alloys // Proc. XVI Conf. on Applied Crystallography World Sci. Publ. 1995. P. 273–276.
- Khromova L.P., Dyakonova N.B., Rodionov Y.L., Yudin G.V., Korms I. Martensitic transformations, thermal expansion and mechanical properties of titanium-niobium alloys // J. Phys. IV. 2003. V. 112. P. 1051–1054.
- Дьяконова Н.Б., Лясоцкий И.В., Родионов Ю.Л. Исследование орторомбического мартенсита и со-фазы в закаленных и деформированных сплавах титана с 20–24 ат.% Nb // Металлы. 2007. № 1. С. 61–70. [D’yakonova N.B., Lyasotskii I.V., Rodionov Y.L. Orthorhombic martensite and the ω phase in quenched and deformed titanium alloys with 20–24 at% Nb // Russian Metallurgy (Metally). 2007. № 1. P. 51–58.]
- Qiu S., Krishnan V.B., Padula S.A., Noebe R.D., Brown D.W., Clausen B., Vaidyanathan R. Measurement of the lattice plane strain and phase fraction evolution during heating and cooling in shape memory NiTi // Appl. Phys. Letters. 2009. V. 95. P. 141906.
- Monroe J.A., Gehring D., Karaman I., Arroyave R., Brown D.W., Clausen B. Tailored thermal expansion alloys // Acta Mater. 2016. V. 102. P. 333–341.
- Ahadi A., Matsushita Y., Sawaguchi T., Sun Q.P., Tsuchiya K. Origin of zero and negative thermal expansion in severely-deformed superelastic NiTi alloy // Acta Mater. 2017. V. 124. P. 79–92.
- Ahadi A., Khaledialidusti R., Kawasaki T., Harjo S., Barnoush A., Tsuchiya K. Neutron diffraction study of temperature-dependent elasticity of B19ʹ NiTi-elinvar effect and elastic softening // Acta Mater. 2019. V. 173. P. 281–291.
- Li Q., Deng Z., Onuki Y., Wang W., Li L., Sun Q. In-Plane low thermal expansion of NiTi via controlled cross rolling // Acta Mater. 2021. V. 204. P. 116506.
- Gehring D., Ren Y., Barghouti Z., Karaman I. In-situ investigation of anisotropic crystalline and bulk negative thermal expansion in titanium alloys // Acta Mater. 2021. V. 210. P. 116847.
- Kim H.Y., Wei L., Kobayashi S., Tahara M., Miyazaki S. Nanodomain structure and its effect on abnormal thermal expansion behavior of a Ti-23Nb-2Zr-0.7Ta-1.2O alloy // Acta Mater. 2013. V. 61. P. 4874–4886.
- Nelson J.B., Riley D.P. An experimental investigation of extrapolation methods in the derivation of accurate unit-cell dimensions of crystals // Proceed. Phys. Soc. 1945. V. 57. P. 160–177.
- Prokoshkin S., Brailovski V., Inaekyan K., Korotitskiy A., Kreitcberg A. Thermomechanical treatment of Ti–Ni intermetallic-based shape memory alloys. Mater. Sci. Found. 2015. V. 81. P. 260–341.
- Montgomery D.C. Design and analysis of experiments // John Wiley & Sons, 1983. 649 с.
- Куранова Н.Н., Гундеров Д.В., Уксусников А.Н., Лукьянов А.В., Юрченко Л.И., Прокофьев Е.А., Пушин В.Г., Валиев Р.З. Влияние термообработки на структурные и фазовые превращения и механические свойства сплава TiNi, подвергнутого интенсивной пластической деформации кручением // ФММ. 2009. Т. 108. С. 589–601. [Kuranova N.N., Gunderov D.V., Uksusnikov A.N., Luk’Yanov A.V., Yurchenko L.I., Prokof’Ev E.A., Pushin V.G., Valiev R.Z. Effect of heat treatment on the structural and phase transformations and mechanical properties of TiNi alloy subjected to severe plastic deformation by torsion // Phys. Met. Metal. 2009. V. 108. P. 556–568.]
- Зельдович В.И., Пушин В.Г., Фролова Н.Ю., Хачин В.Н., Юрченко Л.И. Фазовые превращения в сплавах никелида титана. I. Дилатометрические Аномалии // ФММ. 1990. С. 90–96.
- Pushin V.G. Structures, properties, and application of nanostructured shape memory TiNi‐based alloys // Proceed. Nanomater. Severe Plastic Deformation. 2004. P. 822–828.
- Ahadi A., Sun Q. Stress-induced nanoscale phase transition in superelastic NiTi by in situ x-ray diffraction // Acta Mater. 2015. V. 90. P. 272–281.
- Prokoshkin S., Dubinskiy S., Korotitskiy A., Konopatsky A., Sheremetyev V., Shchetinin I., Glezer A., Brailovski V. Nanostructure features and stress-induced transformation mechanisms in extremely fine-grained titanium nickelide // J. Alloys and Compounds. 2019. V. 779. P. 667–685.
- Dubinskiy S., Prokoshkin S., Sheremetyev V., Konopatsky A., Korotitskiy A., Tabachkova N., Blinova E., Glezer A., Brailovski V. The mechanisms of stress-induced transformation in ultimately fine-grained titanium nickelide, and critical grain size for this transformation // J. Alloys and Compounds. 2021. V. 858. P. 157733.
Supplementary files
