Fatigue Life Curves of NiTi Alloys – The Z Effect

Abstract

Superelasticity is closely related to shape memory effect. It refers to the property presented by some materials submitted to large strains (usually up to about 8%) to restore their original shape immediately after unloading without the need of heating. This phenomenon results directly from a diffusionless transformation of the material from an austenitic to a martensitic phase (martensitic transformation). The recovering mechanism is the reverse transformation, from martensite to austenite. This paper compares fatigue live curves obtained in bending-rotation fatigue tests carried out on wires of NiTi alloys with three different microstructures, stable austenite, unstable austenite (superelastic), and stable martensite. These curves are also compared to data from the literature. The tests were strain controlled and the wires were submitted to strain amplitudes from 0.6% to 12.0%. To minimize changes in material properties, the wire temperature was monitored using a thermocouple and controlled by its rotation speed. For strain amplitudes up to 4%, the εa-Nf curve for superelastic wires was consistent with those reported in the literature, closely approaching the curve of the stable austenite wire. For higher strain amplitudes, fatigue life of superelastic wires increased with strain until it approached the fatigue life curve of stable martensitic wire. This unusual behavior results in a “Z-shaped” curve for high strain values. It is possibly linked to the changes in microstructure and fatigue properties that occur when the superelastic material is deformed.

COMPORTAMENTO DE LIGAS DE NiTi SOB FADIGA MECÂNICA POR FLEXÃO ROTATIVA

“…Essa perspectiva evidencia que o assunto não está esgotado e que se faz necessária a continuidade de investigações focadas no comportamento do material transformável na ponta da trinca, seja diretamente através da observação das características das superfícies de fratura e da morfologia de iniciação e propagação de trincas, seja indiretamente através de alterações na resposta mecânica do material submetido a fadiga de baixo ciclo. Trabalhos anteriores da equipe [24][25][26] mostraram que as curvas de vida em fadiga, isto é, amplitude de deformação versus número de ciclos para ruptura (εa-Nf) de um fio de NiTi superelástico, sob amplitudes de deformação inferiores a 4%, são coerentes com as obtidas na literatura [3,18,23,[27][28][29][30] e próximas à curva do fio austenítico estável (AE). Sob amplitudes de deformação maiores, a vida em fadiga aumenta com a deformação, até que seja atingida a região próxima à curva do fio martensítico estável (ME), quando então o número médio de ciclos até a fratura volta a diminuir com o aumento da amplitude de deformação, acompanhando a curva do fio ME.…”