Национальный исследовательский технологический университет «МИСИС» (Москва, Россия)

К. А. Полякова, старший научный сотрудник лаборатории сплавов с памятью формы, канд. техн. наук, vachiyan@yandex.ru
К. Е. Лукашевич, младший научный сотрудник лаборатории сплавов с памятью формы, канд. техн. наук
В. Черний, студент

ИМЕТ РАН (Москва, Россия)
В. А. Андреев, ведущий научный сотрудник лаборатории пластической деформации металлических материалов (№15), канд. техн. наук

Исследовано влияние масштабного фактора на функционально-механические характеристики проволоки из никелида титана (Ti – 50,8 % (ат.) Ni) диаметром 0,6 и 1,2 мм, полученной методом горячего волочения. Показано, что диаметр проволоки практически не влияет на стадийность и температуры мартенситных превращений, однако определяет различия в тонкой субструктуре, выраженные в большем накоплении дефектов решетки в образце меньшего сечения. В результате статических испытаний на растяжение установлено, что проволока диаметром 0,6 мм демонстрирует более высокие прочностные свойства: предел прочности 1104 МПа; относительное удлинение 22 %. Проволока диаметром 1,2 мм – 999 МПа и 41 % соответственно. Циклические испытания по схеме «растяжение 5 % – разгрузка» показали, что образцы диаметром 1,2 мм характеризуются более стабильным сверхупругим поведением с меньшим накоплением остаточной деформации. Фазовый предел текучести в обоих случаях монотонно уменьшается в ходе циклирования, однако для проволоки диаметром 0,6 мм его значения остаются более высокими: снижение происходит с 500 до 310 МПа, а для проволоки диаметром 1,2 мм с 370 до 270 МПа. При функциональных усталостных испытаниях проволока сечением 0,6 мм выдерживает более 3600 циклов с постоянной максимальной деформацией 3%, тогда как проволока 1,2 мм – до 2500 циклов. Установлено, что существенных различий в уровне суммарной обратимой деформации между исследованными диаметрами не наблюдается, однако повышенная исходная дефектность структуры тонкой проволоки обеспечивает ей преимущество в сопротивлении усталостному разрушению.

Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда № 24-79-10322, https://rscf.ru/project/24-79-10322/.

1. Dobrzański L. A. et al. Nitinol type alloys general characteristics and applications in endodontics // Processes. 2022. Vol. 10, Iss. 1. P. 101.
2. Nespoli A. et al. Biomedical NiTi and -Ti alloys: From composition, microstructure and thermo-mechanics to application // Metals. 2022. Vol. 12, Iss. 3. P. 406.
3. Chen Y., Liou F. Additive manufacturing of Ti – Ni based ternary shape memory alloys // Next Materials. 2026. Vol. 11. P. 101614.
4. Ryklina E. P., Polyakova K. A., Prokoshkin S. D. Role of nickel content in one-way and two-way shape recovery in binary Ti – Ni alloys // Metals. 2021. Vol. 11, Iss. 1. P. 119.
5. Frenzel J. et al. Influence of Ni on martensitic phase transformations in NiTi shape memory alloys // Acta Materialia. 2010. Vol. 58, Iss. 9. P. 3444–3458.
6. Зельдович В. И., Собянина Г. А., Ринкевич О. С. Влияние степени деформации на эффекты памяти формы и структуру мартенсита в никелиде титана. I. Дилатометрические эффекты мартенситных превращений // Физика металлов и металловедение. 1996. Т. 81, №. 3. С. 107–116.
7. Gall K., Sehitoglu H. The role of texture in tension–compression asymmetry in polycrystalline NiTi // International Journal of Plasticity. 1999. Vol. 15, Iss. 1. P. 69–92.
8. Jiang D. et al. Bending of pseudoelastic NiTi tubes // International Journal of Solids and Structures. 2017. Vol. 124. Р. 192–214.
9. Bechle N. J., Kyriakides S. Localization in NiTi tubes under bending // International Journal of Solids and Structures. 2014. Vol. 51, Iss. 5. P. 967–980.
10. Bažant Z. P. Size effect on structural strength: a review // Archive of applied Mechanics. 1999. Vol. 69, Iss. 9. P. 703–725.
11. Столяров В. В. Механические испытания на растяжение наноструктурных материалов // Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2008. Т. 74, №. 1. С. 54–57.
12. Suresh S. Fatigue of materials. – Cambridge university press, 1998. – 679 p.
13. Pelleg J. Mechanical properties of materials. (Solid Mechanics and Its Applications, 190). – Springer Science and Business Media, 2012. – 648 p.
14. Greer J. R., Oliver W. C., Nix W. D. Size dependence of mechanical properties of gold at the micron scale in the absence of strain gradients // Acta Materialia. 2005. Vol. 53, Iss. 6. P. 1821–1830.
15. Ghosh P., Chokshi, A. H. Size effects on strength in the transition from single-to-polycrystalline behavior. // Metall. Mater. Trans. 2015. Vol. 46. P. 5671–5684.
16. Miyazaki S., Shibata K., Fujita H. Effect of specimen thickness on mechanical properties of polycrystalline aggregates with various grain sizes // Acta Metallurgica. 1979. Vol. 27, Iss. 5. P. 855–862.
17. Rinaldi A. et al. Sample-size effects in the yield behavior of nanocrystalline nickel // Acta Materialia. 2008. Vol. 56. Iss. 3. P. 511–517.
18. Keller C., Hug E., Feaugas X. Microstructural size effects on mechanical properties of high purity nickel // International Journal of Plasticity. 2011. Vol. 27, Iss. 4. P. 635–654.
19. Bin G. U. O. et al. Effects of specimen size on flow stress of micro rod specimen // Transactions of Nonferrous Metals Society of China. 2009. Vol. 19, Iss. 2. P. s511–s515.
20. Molotnikov A. et al. Size effect on the tensile strength of finegrained copper // Scripta Materialia. 2008. Vol. 59, Iss. 11. P. 1182–1185.
21. Chen Y., Kraft O., Walter M. Size effects in thin coarse-grained gold microwires under tensile and torsional loading // Acta Mater. 2015. Vol.87. P. 78–85 .
22. Ryklina E. P., Polyakova K. A., Resnina N. N. Role of Structural Heredity in Aging-Induced Microstructure and Transformation Behavior in Ni-rich Titanium Nickelide // Shape Memory and Superelasticity. 2022. Vol. 8. P. 200–214.
23. Monogenov A. N. et al. Effect of the size factor on the strength and plastic properties, the shape memory effect, and the superelasticity of TiNi-based thin filaments // Russian Metallurgy (Metally). 2020. Vol. 2020, Iss. 10. P. 1116–1121.
24. Gyunter V. E., Ovcharenko V. V., Klopotov A. A. Influence of size factor on martensite transformations and shape memory effects in TiNi based alloys // Technical Physics Letters. 2000. Vol. 26, Iss. 3. P. 182–183.
25. Гюнтер С. В., Моногенов А. Н., Ветрова А. В., Ковалева М. А. Влияние размерного фактора проволоки из сплава на основе никелида титана на структурные характеристики и механические свойства // Цветные металлы. 2023. № 12. С. 63–69.
26. Polyakova K. et al. Comparative Studies of Stress-Temperature Behavior and Aging Efficiency of Ni50.8Ti Alloy with Various Virgin Structures // Shape Memory and Superelasticity. 2026. Vol. 12. P. 194–204.
27. Lukashevisch K. et al. Effect of a Four-Caliber Longitudinal Rolling on Microstructure, Mechanical, and Functional Properties of Superelastic Ti – Zr – Nb Alloy for Biomedical Application // Shape Memory and Superelasticity. 2025. Vol. 11, Iss. 3. P. 619–634.
28. Muradyan A. et al. Microstructure and properties of superelastic Ti – 18Zr – 15Nb alloy subjected to combination of moderate/severe cold drawing and post-deformation annealing // Journal of Alloys and Compounds. 2025. Vol. 1010. P. 177370.
29. Honarvar M. et al. Size effect on the critical stress of Nitinol wires // Conference on Smart Materials, Adaptive Structures and Intelligent Systems. 2013. DOI: 10.1115/SMASIS2013-3157
30. Norwich D. W., Fasching A. A study of the effect of diameter on the fatigue properties of NiTi wire // Journal of Materials Engineering and Performance. 2009. Vol. 18, Iss. 5. P. 558–562.
31. Yu H. et al. Effect of Cold Drawing on Microstructure and Mechanical Properties of 410 Martensite Stainless Steel Wire // Chinese Materials Conference. – Singapore : Springer Singapore, 2017. P. 477–485.
32. Eggeler G. et al. Structural and functional fatigue of NiTi shape memory alloys // Materials Science and Engineering A. 2004. Vol. 378, Iss. 1–2. P. 24–33.
33. Saleeb A. F. et al. The cyclic and evolutionary response to approach the attraction loops under stress controlled isothermal conditions for a multi-mechanism based multi-axial SMA model // Mechanics of Materials. 2013. Vol. 63. P. 21–47.
34. Pelton A. R. et al. Pre-strain and mean strain effects on the fatigue behavior of superelastic nitinol medical devices // Shape Memory and Superelasticity. 2022. Vol. 8, Iss. 2. P. 64–84.
35. Chu K., Sun Q. Reducing functional fatigue, transition stress and hysteresis of NiTi micropillars by one-step overstressed plastic deformation // Scripta materialia. 2021. Vol. 201, Iss. 7. P. 113958.