Aging behavior in Cu-Al-Be shape memory alloy

This article reports positron annihilation spectroscopy and calorimetric measurements of the aging behavior in a Cu¿Al¿Be shape memory alloy. An excess of single vacancies is retained in the alloy as a result of a quench. All vacancies in excess disappear after long aging time, and a migration energy EM = 1.0±0.1 eV for this process has been found to be larger than in other Cu-based shape memory alloys. The good correlation found for the concentration of vacancies and the shift in the martensitic transition temperature demonstrates that, in Cu¿Al¿Be, changes in the transition after a quench are deeply related to the excess of vacancies.

Characterization of in vivo vertebral growth modulation by shape memory alloy staples on a porcine model for the correction of the scoliosis

La recherche de nouvelles voies de correction de la scoliose idiopathique a une longue histoire. Le traitement conventionnel de la scoliose idiopathique est présenté par le port du corset ou par la correction opératoire de la déformation. Depuis leur introduction, les deux méthodes ont prouvé leur efficacité. Cependant, malgré des caractéristiques positives évidentes, ces méthodes peuvent causer un nombre important d'effets indésirables sur la santé du patient. Les techniques sans fusion pour le traitement de la scoliose semblent être une alternative perspective de traitement traditionnel, car ils apportent moins de risques et des complications chirurgicales que les méthodes conventionnelles avec la conservation de la mobilité du disque intravertébral. Cependant, l'utilisation de techniques mentionnées exige une connaissance profonde de la modulation de croissance vertébrale. L'objectif principal de la présente étude est d'estimer le potentiel d'agrafes à l’AMF de moduler la croissance des vertèbres porcines en mesurant la croissance osseuse sur la plaque de croissance de vertèbres instrumentées en comparaison avec le groupe contrôle. La méthode est basée sur la loi de Hueter-Volkmann. Nous avons choisi NiTi agrafes à l’AMF pour notre étude et les porcs de race Landrace comme un animal expérimental. Les agrafes ont été insérés sur 5 niveaux thoracique de T6 à T11. En outre, les radiographies ont été prises toutes les 2 semaines. La présence d'agrafes en alliage à mémoire de forme a produit la création de courbes scoliotiques significatives dans 4 de 6 animaux chargés et le ralentissement considérable de la croissance osseuse (jusqu'à 35,4%) comparativement aux groupes contrôle et sham. L'étude a démontré in vivo le potentiel d'agrafes en alliage à mémoire de formes de moduler la croissance des vertèbres en créant des courbes scoliotiques sur les radiographies et en ralentissant le taux de croissance sur les plaques de croissance instrumenté. La position précise de l'agrafe est essentielle pour la modulation de croissance osseuse et le développement de la scoliose expérimentale.

Cooling and heating by adiabatic magnetization in Ni50Mn34In16 magnetic shape-memory alloy

We report on measurements of the adiabatic temperature change in the inverse magnetocaloric Ni50Mn34In16 alloy. It is shown that this alloy heats up with the application of a magnetic field around the Curie point due to the conventional magnetocaloric effect. In contrast, the inverse magnetocaloric effect associated with the martensitic transition results in the unusual decrease of temperature by adiabatic magnetization. We also provide magnetization and specific heat data which enable to compare the measured temperature changes to the values indirectly computed from thermodynamic relationships. Good agreement is obtained for the conventional effect at the second-order paramagnetic-ferromagnetic phase transition. However, at the first-order structural transition the measured values at high fields are lower than the computed ones. Irreversible thermodynamics arguments are given to show that such a discrepancy is due to the irreversibility of the first-order martensitic transition.

Modeling and Experimental Aspects of Self-healing Bolted Joint through Shape Memory Alloy Actuators

Bolted joints are a form of mechanical coupling largely used in machinery due to their reliability and low cost. Failure of bolted joints can lead to catastrophic events, such as leaking, train derailments, aircraft crashes, etc. Most of these failures occur due to the reduction of the pre-load, induced by mechanical vibration or human errors in the assembly or maintenance process. This article investigates the application of shape memory alloy (SMA) washers as an actuator to increase the pre-load on loosened bolted joints. The application of SMA washer follows a structural health monitoring procedure to identify a damage (reduction in pre-load) occurrence. In this article, a thermo-mechanical model is presented to predict the final pre-load achieved using this kind of actuator, based on the heat input and SMA washer dimension. This model extends and improves on the previous model of Ghorashi and Inman [2004, "Shape Memory Alloy in Tension and Compression and its Application as Clamping Force Actuator in a Bolted Joint: Part 2 - Modeling," J. Intell. Mater. Syst. Struct., 15:589-600], by eliminating the pre-load term related to nut turning making the system more practical. This complete model is a powerful but complex tool to be used by designers. A novel modeling approach for self-healing bolted joints based on curve fitting of experimental data is presented. The article concludes with an experimental application that leads to a change in joint assembly to increase the system reliability, by removing the ceramic washer component. Further research topics are also suggested.

Chaos control of a nonlinear oscillator with shape memory alloy using an optimal linear control: Part I: Ideal energy source

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

Chaos control of a nonlinear oscillator with shape memory alloy using an optimal linear control: Part II: Nonideal energy source

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

On a nonlinear and chaotic non-ideal vibrating system with shape memory alloy (SMA)

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

Some remarks on bifurcation analysis of a nonlinear vibrating system excited by a shape memory alloy material (SMA)

In this paper, the dynamical response of a coupled oscillator is investigated, taking in consideration the nonlinear behavior of a SMA spring coupling the two oscillators. Due to the nonlinear coupling terms, the system exhibits both regular and chaotic motions. The Poincaré sections for different sets of coupling parameters are verified. © 2011 World Scientific Publishing Company.

Shape memory and elastoplastic materials: from constitutive and numerical to fatigue modeling

Shape memory materials (SMMs) represent an important class of smart materials that have the ability to return from a deformed state to their original shape. Thanks to such a property, SMMs are utilized in a wide range of innovative applications. The increasing number of applications and the consequent involvement of industrial players in the field have motivated researchers to formulate constitutive models able to catch the complex behavior of these materials and to develop robust computational tools for design purposes. Such a research field is still under progress, especially in the prediction of shape memory polymer (SMP) behavior and of important effects characterizing shape memory alloy (SMA) applications. Moreover, the frequent use of shape memory and metallic materials in biomedical devices, particularly in cardiovascular stents, implanted in the human body and experiencing millions of in-vivo cycles by the blood pressure, clearly indicates the need for a deeper understanding of fatigue/fracture failure in microsize components. The development of reliable stent designs against fatigue is still an open subject in scientific literature. Motivated by the described framework, the thesis focuses on several research issues involving the advanced constitutive, numerical and fatigue modeling of elastoplastic and shape memory materials. Starting from the constitutive modeling, the thesis proposes to develop refined phenomenological models for reliable SMA and SMP behavior descriptions. Then, concerning the numerical modeling, the thesis proposes to implement the models into numerical software by developing implicit/explicit time-integration algorithms, to guarantee robust computational tools for practical purposes. The described modeling activities are completed by experimental investigations on SMA actuator springs and polyethylene polymers. Finally, regarding the fatigue modeling, the thesis proposes the introduction of a general computational approach for the fatigue-life assessment of a classical stent design, in order to exploit computer-based simulations to prevent failures and modify design, without testing numerous devices.

Microstructure of epitaxial thin films of the ferromagnetic shape memory alloy Ni 2 MnGa

Gegenstand dieser Arbeit ist die Präparation und die ausführliche Charakterisierung epitaktischer Dünnschicht-Proben der Heusler Verbindung Ni2MnGa. Diese intermetallische Verbindung zeigt einen magnetischen Formgedächtnis-Effekt (MFG), der sowohl im Bezug auf mögliche Anwendungen, als auch im Kontext der Grundlagenforschung äußerst interessant ist. In Einkristallen nahe der Stöchiometrie Ni2MnGa wurden riesige magnetfeldinduzierte Dehnungen von bis zu 10 % nachgewiesen. Der zugrundeliegende Mechanismus basiert auf einer Umverteilung von kristallographischen Zwillings-Varianten, die eine tetragonale oder orthorhombische Symmetrie besitzen. Unter dem Einfluss des Magnetfeldes bewegen sich die Zwillingsgrenzen durch den Kristall, was eine makroskopische Formänderung mit sich bringt. Die somit erzeugten reversiblen Längenänderungen können mit hoher Frequenz geschaltet werden, was Ni2MnGa zu einem vielversprechenden Aktuatorwerkstoff macht. rnDa der Effekt auf einem intrinsischen Prozess beruht, eignen sich Bauteile aus MFG Legierungen zur Integration in Mikrosystemen (z.B. im Bereich der Mikrofluidik). rnrnBislang konnten große magnetfeldinduzierte Dehnungen nur für Einkristalle und Polykristalle mit hoher Porosität („foams") nachgewiesen werden. Um den Effekt für Anwendungen nutzbar zu machen, werden allerdings Konzepte zur Miniaturisierung benötigt. Eine Möglichkeit bieten epitaktische dünne Filme, die im Rahmen dieser Arbeit hergestellt und untersucht werden sollen. Im Fokus stehen dabei die Optimierung der Herstellungsparameter, sowie die Präparation von freitragenden Schichten. Zudem werden verschiedene Konzepte zur Herstellung freistehender Mikrostrukturen erprobt. Mittels Röntgendiffraktometrie konnte die komplizierte Kristallstruktur für verschiedene Wachstumsrichtungen verstanden und die genaue Verteilung der Zwillingsvarianten aufgedeckt werden. In Verbindung mit Mikroskopie-Methoden konnte so die Zwillingsstruktur auf verschiedenen Längenskalen geklärt werden. Die Ergebnisse erklären das Ausbleiben des MFG Effekts in den Proben mit (100) Orientierung. Andererseits wurde für Schichten mit (110) Wachstum eine vielversprechende Mikrostruktur entdeckt, die einen guten Ausgangspunkt für weitere Untersuchungen bietet.rnDurch die spezielle Geometrie der Proben war es möglich, Spektroskopie-Experimente in Transmission durchzuführen. Die Ergebnisse stellen den ersten experimentellen Nachweis der Änderungen in der elektronischen Struktur einer metallischen Verbindung während des martensitischen Phasenübergangs dar. Durch Messen des magnetischen Zirkulardichroismus in der Röntgenabsorption konnten quantitative Aussagen über die magnetischen Momente von Ni und Mn getroffen werden. Die Methode erlaubt überdies die Beiträge von Spin- und Bahn-Moment separat zu bestimmen. Durch winkelabhängige Messungen gelang es, die mikroskopische Ursache der magnetischen Anisotropie aufzuklären. Diese Ergebnisse tragen wesentlich zum Verständnis der komplexen magnetischen und strukturellen Eigenschaften von Ni2MnGa bei.rn