Shape memory effects can be classified into one-way shape memory effect (OWSME) and two-way shape memory effect (TWSME). Generally, the OWSME is the representative shape memory effect. In shape memory alloys, the TWSME represents a reversible spontaneous shape change during the cooling and heating process. This is the consequence of reversible phase transformations observed without application of any external force. However, the TWSME is not an inherent property of SMAs, but can only be obtained through a suitable thermo-mechanical treatment, usually termed training.
NiTi actuators using the one-way shape memory effect require a residual strain to be created before actuation, whereas no preparation operation is required for a TWSME. Thus, it is more convenient to utilize the TWSME than the OWSME. There have been many studies that have investigated the TWSME of NiTi. Various training methods have been utilized to develop the TWSME, and many factors influencing the development of the TWSME in NiTi have been investigated. However, most studies have induced the TWSME in NiTi through tensile loading cycles. There have been few TWSME studies of NiTi wherein the TWSME was induced through a compressive loading cycle and using a bulkier specimen than the wire type NiTi specimens used in previous reports.
In this study, compression tests were performed to investigate the TWSME and the mechanical behavior in compression. The two-way strains and two-way recovery stresses were quantitatively measured and compared to evaluate the actuating capacity of the NiTi shape memory alloy. Two-way shape memory effect was induced by shape memory cycles and thermal cycles with constant load which were most widely used for the training. And the effects of annealing temperature, thickness and plastic deformation on TWSME characteristics were confirmed. Finally, Transformation kinetics formulation of NiTi under compression is presented. It is shown that the transformation kinetics of the Brinson model, which is most widely used 1-dimensional model, has shortcomings in compressive and recovery behavior. Compressive phase diagram is formed experimentally to obtain exact values of parameters in compression and new transformation kinetics formulation is proposed. Through this modification, the suggested formulation can properly describe the behavior of martensite volume fractions under all transformation regions. Constitutive model including this new transformation kinetics is in good accord with the experimental results.
형상기억효과는 일방향과 양방향으로 구분될 수 있다. 일방향 형상기억효과는 일반적인 NiTi 합금에서 사용되는 특성이지만 양방향은 특별한 트레이닝을 통해 유도되는 온도에 따라 형상이 변하는 가역적인 반응이다.
일방향을 이용하는 NiTi 작동기는 작동 전 잔류변형을 남겨야하지만 양방향은 잔류변형을 필요로 하지 않는다. 따라서 양방향 형상기억효과를 더 편리하게 작동기에 적용할 수 있다. 다양한 트레이닝 방법, 양방향 형상기억효과 유도에 영향을 미치는 인자 등 현재까지 양방향 형상기억효과에 관한 연구가 많이 진행되었다. 하지만 대부분의 연구는 인장하중을 이용하였으며 압축하중을 이용한 양방향 형상기억효과 유도에 관한 연구는 전무한 실정이다.
따라서 본 연구에서는 아직까지 정립되어 있지 않은 NiTi 형상기억합금의 압축에서의 기계적 거동과 양방향 형상기억효과 유도에 관한 연구를 수행하였다. 양방향 형상기억효과를 유도하기 위해 형상기억사이클과 일정응력 열사이클을 이용하였으며 열처리 온도와 기하학적 영향을 고려하였다.
마지막으로 압축에서의 마르텐사이트 상변태 방정식을 유도하였다. 현재 가장 많이 사용되어지고 있는 1차원 Brinson 모델은 압축 열-기계적거동과 회복거동을 표현하지 못하는 단점을 갖고 있다. 본 연구에서는 압축 형상기억효과와 초탄성효과를 표현할 수 있는 상변태 방정식을 제안하고 실험결과와 비교하였다. 먼저 압축 상변태도를 작성하여 압축에서의 정확한 파라미터 값을 얻고 상변태도와 기계적 거동을 통하여 새로운 상변태 방정식을 제안하였다. 제안된 방정식은 마르텐사이트 체적 분율을 적절히 표현할 뿐만 아니라 구성방정식을 통한 모사를 통해 본 방정식이 압축 열-기계적 거동을 매우 잘 표현함을 확인하였다.
