Rev. Phys. Appl. (Paris) 23, 557-564 (1988)
DOI: 10.1051/rphysap:01988002304055700

Hysteretic transformation behaviour of shape memory alloys

J. Van Humbeeck, E. Aernoudt, L. Delaey, Lu Li, H. Verguts et J. Ortin

Department of Metallurgy and Materials Engineering, de Croylaan 2, 3030 Leuven, Heverlee, Belgium

Abstract
After suitable thermomechanical treatment a series of Cu-based and Ni-Ti-alloys can show a reversible shape change during heating and/or cooling over a temperature region of about 40 degrees. Two important conditions for this effect are that a thermoelastic martensitic transformation occurs in this temperature range and that the total strain of its shape change does not exceed more than a few percent. At temperatures above the martensitic transformation temperatures, the material behaves pseudoelastic : by applying a strain, the martensitic transformation will start at a critical stress, dependent on the temperature. After complete transformation a considerable strain can be obtained which disappears during unloading. The stress strain curve, obtained at constant temperature, appears as a closed loop. Both reversible transformations, thermally and strain-induced, and so the related shape change, occur in a hysteretic manner. The origin of this hysteresis can be explained by thermodynamic considerations and the occurrence of transformation induced defects. The apparent "plastic" deformation is also related to preferential growth of selected martensitic variants. Mechanistically, the knowledge of the pseudoelastic loops is important to calculate the shape change during thermal cycling. It has also been shown that pseudoelastic loops for polycrystalline materials can be calculated using a rigourous mechanical model.

Résumé
Après un traitement thermomécanique approprié certains alliages de cuivre et de Ni-Ti présentent un changement de forme (effet de mémoire) lors d'un cyclage thermique dans une zone d'environ 40 degrés.Deux conditions importantes pour obtenir cet effet sont nécessaires : il faut une transformation martensitique et thermoélastique dans la zone de cyclage thermique. La déformation totale du changement de forme sera limitée à quelques pourcents. Dans la phase beta (au-dessus de la zone de transformation) le matériau présente un comportement pseudoélastique : quand on applique une déformation, la transformation martensitique sera induite à une contrainte critique. Cette contrainte dépend linéairement de la température. Lors de cette transformation induite, une grande déformation de l'échantillon est possible. En inversant la direction de la déformation, le matériau retrouve sa forme originale lors de la transformation inverse (martensite→beta). La courbe de traction (σ - ε ), présente une boucle d' hytérés is bien fermée. Ainsi, il est clair que la transformation martrnsitique induite, soit par refroidissement, soit par déformation, et la transformation inverse montrent une hystérèse. L'origine de cette hystérèse peut être expliquée par des considérations thermodynamiques et l'induction de défauts par la transformation. La déformation, apparemment plastique, est aussi liée à la croissance des variantes de martensite sélectionnées. Mécaniquement, la connaissance du comportement pseudoélastique est importante pour calculer les caractéristiques de l'effet mémoire.

PACS
6220F - Deformation and plasticity.
6470K - Solid solid transitions.
8130K - Martensitic transformations.
8140J - Elasticity and anelasticity.
8140L - Deformation, plasticity and creep.

Key words
aluminium alloys -- copper alloys -- hysteresis -- martensitic transformations -- nickel alloys -- shape memory effects -- stress strain relations -- thermoelasticity -- titanium alloys -- zinc alloys -- shape memory alloys -- thermomechanical treatment -- thermoelastic martensitic transformation -- critical stress -- unloading -- stress strain curve -- induced defects -- preferential growth -- pseudoelastic loops -- Cu Al Zn -- Ni Ti