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S c r i p t a M E T A L L U R G I C A V o l . S , p p . 1 2 7 - 1 3 0 , 1 9 7 1 P e r g a m o n P r e s s , I n c .P r i n t e d i n t h e U n i t e d S t a t e s

S T R E S S - A S S I S T E D M A R T E N S I T E F O R M AT I O N I N T i N i

R . J . Wa s i l e w s k i

B a t t e l l e M e m o r i a l I n s t i t u t e

C o l u m b u s L a b o r a t o r i e sC o l u m b u s , O h i o

R e c e i v e d D e c e m b e r 2 1 , 1 9 7 0 )

I n t h e a b s e n c e o f s t r e s s a m a r ~ e n s i t i c t r a n s f o r m a t i o n o n c o o l i n g s t a r t s a t s o m e t e m p e r a t u r e M s ,

a n d is c o m p l e t e d a t s o m e l o w e r t e m p e r a t u r e M f . T h e r e v e r s e t r a n s f o r m a t i o n o n h e a t i n g b e g i n s a n d

e n d s a t t h e c o r r e s p o n d i n g t e m p e r a t u r e s A s a n d Af . I n f e r r ou s a l l o y s , w h i c h h a v e b e e n m o s t

w i d e l y i n v e s t i g a t e d t o d a t e , t h e h y s t e r e s i s l o o p i s v e r y w i d e , a n d A > > M . I n o t h e r m a t e r i a l ss s

t h e h y s t e r e s i s m a y b e q u i t e s m a l l , a s i n A u C d ( i ) , I n - T l ( 2 ), o r T i N i ( 3 ) . I n t h e r m o e l a s t l c

m a r t e n s l t e t h e h y s t e r e s i s i s v e r y s m a l l , a n d i n f a c t w a s n o t o b s e r v e d a t a l l b y K u r d y u m o v a n d

K h a n d r o s ( 4) i n C u - A I - N i a l l o y s .

I t i s w e l l k n o w n t h a t m a r t e n s i t e f o r m a t i o n c a n b e i n i t i a t e d a b o v e t h e M t e m p e r a t u r e b y t h es

a p p l i c a t i o n o f a s u i t a b l e s t r e s s. T h e m a x i m u m t e m p e r a t u r e a t w h i c h m a r t e n s i t e c a n b e th u s

f o r m e d i s d e n o t e d a s M d . T h i s t e m p e r a t u r e d e p e n d s o n th e s t r e s s c o n d i t i o n s , s p e c i m e n o r i e n t a -

t i o n o r t e x t u r e a n d , p o s s i b l y , o t h e r f a c t o r s , a n d t h u s c a n n o t b e c o n s i d e r e d a s a n i n h e r e n t

c h a r a c t e r i s t i c o f t h e m a t e r i a l i t s e l f . T h e t r a n s f o r m a t i o n p r o d u c t i s u s u a l l y r e f e r r e d t o a s

s t r a i n m a r t e n s i t e . S u c h t r a n s f o r m a t i o n s a r e c o m m o n i n c o l d w o r k i n g o f m e t a s t a b l e ~ - t i t a n i u m

a l l o y s , w h e r e t h e ~ ' ( s t r a i n m a r t e n s i t e ) f o r m a t i ~ n p r o v i d e s u s e f u l d u c t i l i t y a t r e l a t i v e l y l o w

s t r e s s l e v e l s . A s s h o w n b y K u l i n e t al . , ( 5) u n d e r s o m e c o n d i t i o n s l o a d i n g e v e n i n t h e e l a s t i c

r a n g e m a y b e s u f f i c i e n t t o c a u s e s t r a i n m a r t e n s i t e f o r m a t i o n .

A p h e n o m e n o n w h i c h i s r e l a t e d t o s o m e m a r t e n s i t i c t r a n s f o r m a t i o n s , a n d w a s f i r s t o b s e r v e d i n

I n - T l a l l o y s , ( 6 ,7 ) i s t h e a b i l i t y o f t h e m a t e r i a l a p p a r e n t l y p l a s t i c a l l y d e f o r m e d t o r e t u r n t o

i t s o r i g i n a l c o n f i g u r a t i o n o n t h e r e m o v a l o f s t r e ss . T h i s b e h a v i o r , r e f e r r e d t o a s r u b b e r -

l i k e o r f e r r o e l a s t i c , h a s b e e n o b s e r v e d t o d a t e o n ly i n m a t e r i a l s h e a t t r e a t e d t o p r o d u c e

a r e g u l a r l y t w i n n e d m a r t e n s i t e s t r u c t u r e ( 8) , a n d h a s b e e n r a t i o n a l i z e d i n te r m s o f a

r e v e r s i b l e g r o w t h o f o n e o f t h e t w i n o r i e n t a t i o n s a t t h e e x p e n s e o f t h e o th e r , u n d e r t h e a c t i o n

o f t h e a p p l i e d s t r e s s ( 6 , 7 ) .

G e o m e t r i c a l l y t h i s r a t i o n a l i z a t i o n i s i n f a i r a g r e e m e n t w i t h t h e f e w a v a i l a b l e o b s e r v a t i o n s .

H o w e v e r , s o m e r e s e r v a t i o n s t o i t c a n b e r a i s e d . F i r s t l y , s u c h a r e v e r s i b l e t w i n - b o u n d a r y

m o v e m e n t i s c e r t a i n l y u n t y p i c a l i n t w i n n e d s t r u c t u re s , a l t h o u g h s o m e o b s e r v a t i o n s o f e l a s t i c

2 7

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1 2 8 S T R E S S - A S S I S T E D M A R T E N S I T E F O R M AT I O N I N T i N i Vo l . 5 , N o . 2

t w i n s h a v e b e e n r e p o r t e d ( 9 ) . S e c o n d l y s u c h b o u n d a r y m o v e m e n t h a s b e e n s t a t e d t o r e s u l t i n a

c o m p l e t e l y u n i f o r m , s i n g l e - c r y s t a l , o r i e n t a t i o n ( i 0 ) ; i n a s m u c h a s n o l a t t i c e d a m a g e i s i n v o l v e d

i n t h e m i g r a t i o n a n d t h e i m p l i e d d i s a p p e a r a n c e o f t h e s e c o h e r e n t t w i n b ou n d a r i e s , i t i s d i f f i -

c u l t t o r a t i o n a l i z e t h e r e a p p e a r a n c e o f t h e s e t w i n b o u n d a r i e s , i n w h a t i s n o w a m a r t e n s l t e

s i n g l e c r y s t a l , o n t h e r e l a x a t i o n o f t h e s t r e s s . R a t h e r o n e w o u l d e x p e c t t h a t t h e ( n o w o n l y

u n i f o r m l y, e l a s t i c a l l y s t r a i n e d ) s i n g l e c r y s t a l s h o u l d r e m a i n s t ab l e . T h i r d l y, a m a r t e n s i t e

f o r m e d f r o m a n o r d e r e d p a r e n t s t r u c t u r e i s a l s o o r d e r e d , a n d t w i n f o r m a t i o n i n o r d e r e d l a t t i c e s

i s e n e r g e t i c a l l y u n f a v o r a b l e ( i i ). We s h a l l p r o p o s e h e r e a n a l t e r n a t iv e e x p l a n a t i o n f o r t h i s

b e h a v i o r , b a s e d d i r e c t l y o n t h e e f f e c t o f t h e a p p l i e d s t r e s s o n t h e t r a n s f o r m a t i o n .

M o s t o f t h e o b s e r v a t i o n s t o d a t e h a v e b e e n i n t e r p r e t e d i n t e r m s o f m a t e r i a l s i n w h i c h t h e s t r a i n

m a r t e n s l t e w a s o b s e r v e d a f t e r t h e d e f o r m a t i o n. T h e s t a b i l i t y o f s u c h a t r a n s f o r m a t i o n p r o d u c t

o n t h e r e m o v a l o f t h e a p p l i e d s t r e s s d e p e n d s p r i m a r i l y o n t h e t e m p e r a t u r e r e l a t i v e t o t h e M f a n d

A f t e m p e r a t u r e s o f t h e s t r e s s - f r e e t r a n s f o r m a t i o n . I n f e r r o u s m a t e r i a l s M s < M d < A s . T h u s ,

a l t h o u g h a n a p p l i e d s t r e s s r e s u l t s i n m a r t e n s l t e f o r m a t i o n s i g n i f i c a n t l y a b o v e Ms , t h e r e v e r s et r a n s f o r m a t i o n re q u i r e s s u b s e qu e n t h e a t i n g a b o u t th e A s - A r a n g e; o t h e r w i se , t h e m a r t e n s i t e

r e m a i n s s t a b l e .

T h e s i t u a t i o n i s s i g n i f i c a n t l y d i f f e r e n t w h e n t h e th e r m a l h y s t e r e s i s o f s t r e s s - f r e e t r a n s f o r -

m a t i o n i s s m a ll . I n p a r t i c u l a r , t h e M t e m p e r a t u r e m a y w e l l l i e a b o v e A f , i n w h i c h c a s e th e

m a r t e n s i t e f o r m e d o n t h e a p p l i c a t i o n o f s t r e s s a t t e m p er a t u r e s A f < T < M w i l l b e u n s t a b l e i n

t h e a b s e n c e o f t h e a p p l i e d s t r e s s .

O

S O

~ 4 0

2O

I0

FIG i . A n e l a s t i c M a r t e n s i t e F o r m a t i o n i nTi - 5 1 % N i ( A ~ < I0 C ) a t 2 0 C ;

F ina l e

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V o l . 5 , N o . 2 S T R E S S - A S S I S T E D M A R T E N S I T E F O R M A T I O N I N T i N i 1 2 9

I n a s m u c h a s t h e s t r e s s - s t r a i n b e h a v i o r o b s e r v e d i s n o t r e v e r s i b l e , b u t e x h i b i t s s i g n i f i c a n t

h y s t e r e s i s , t h e t r a n s f o r m a t i o n p r o d u c t c a n n o t b e c o n s i d e r e d a s e l a s t i c m a r t e n s i t e . I n v i e w o f

t h e a b s e n c e o f p e r m a n e n t , i r r e v e r s i b l e d e f o r m a t i o n , t h e t e r m a n e l a s t i c m a r t e n s i t e i s p r o b a b l y

t h e m o r e a p p r o p r i a t e . I t a l s o a p p e a r s t h a t s t r e s s - a s s l s t e d r a t h e r t h a n s t r a i n m a r t e n s i t e

w o u l d m o r e c o r r e c t l y d e s c r i b e i t s o r i g i n : t h e a n e l a s t i c s t r a i n i s t he re s u l t , n o t t h e c au s e , o f

t h e m a r t e n s i t e f o r m a t i o n .

We n o t e t h a t i n t h i s e x p e r i m e n t t h e i n i t i a l s t r u c t u r e w a s f u l l y 8 , w i t h n o p r e - e x i s t i n g , r e g u -

l a r l y t w i n n ed , s u b s t r u c t u r e . T h u s , t h e r e c o v e r y c a n n o t h a v e b e e n d u e t o a r e v e r s i b l e t w i n -

b o u n d a r y m o v e m e n t . T h e r e f o r e , w e s u g g e s t th a t s u c h a p p a r e n t t w l n - b o u n d a r y m o v e m e n t i n t h e

m a r t e n s i t i c I n - T l a n d A u C d s t r u c t u r e s i s t h e r e s u l t o f a s u c c e s s i v e s t r e s s - a s s l s t e d t r a n s f o r m a -

t i o n

M I B ' + M

w h e r e M 1 d e n o t e s t h e i n i t i a l m a r t e n s l t e i n t h e o r i e n t a t i o n f a v o r a b l e f o r s t r e s s - a s s l s t e d t r a n s -

f o r m a t i o n t o 8; 8' d e n o t e s t h e 8 s t r u c t u r e f o r m e d o n s t r e s s a p p l i c a t i o n ; a n d M d e n o t e s t h em a r t e n s i t e ( f o r m e d i m m e d i a t e l y s i n c e T < M f ) w i t h t h e p a r t i c u l a r o r i e n t a t i o n m o s t c o m p a t i b l e

w i t h t h e a p p l i e d s t r e s s . We n o t e t h a t t h i s m a y, b u t n o t n e c e s s a r i l y w i l l , b__ee h e s e c o n d t w i n -

m a r t e n s l t e o r i e n t a t i o n o b t a i n e d u n d e r s t r e s s - f r e e t r a n s f o r m a t i o n c o n d i t i o n s . I n g e n e r a l , t h e

p a r t i u u l a r B ' a n d M v a r i a n t s t h a t f o r m a r e s t r o n g l y d e p e n d e n t o n t h e a p p l i e d s t r e s s

c o n d i t i o n s .

We f u r t h e r n o t e t h a t t h e r e t u r n t o th e o r i g i n a l c o n f i g u r a t i o n o n t h e r e m o v a l o f t h e l o a d c a n n o w

b e a c c o u n t e d f o r. A s s u m i n g ( a s i m p l i e d i n t h e t w l n - b o u n d a r y m o v e m e n t m e c h a n i s m ) t h e a b s e n c e o f

s l i p, t h e d i s t o r t i o n s c a u s e d b y t h e a b o v e d o u b l e t r a n s f o r m a t i o n r e s u l t i n el a s t i c s t r a i n s i n t h e

a d j a c e n t , u n t r a n s f o r m e d , M 1 m a r t e n s i t e . W h e n n o l o n g e r b a l a n c e d b y t h e a p p l i e d s t r e s s , t h e s e

a r e s u f f i c i e n t t o c a u s e t h e r e v e r s e s t r e s s - a s s l s t e d t r a n s f o r m a t i o n M 8' M I . I t i s p r o b a b l e

t h a t t h e r e v e r i s i b i l i t y i s n o t t r u l y c o m p l e t e , a s it s e e m s u n l i k e l y t h a t n o i r r e v e r s i b l e d a m a g e

w o u l d r e s u l t f r o m t h e t r a n s f o r m a t i o n c y c l i n g .

I t i s e v i d e n t , t h e r e f o r e , t h a t t h e o r i g i n o f t h e a n e l a s t i c b e h a v i o r o b s e r v e d s t e m s d i r e c t l y f r o m

t h e s t r e s s - a s s i s t e d s t r u c t u r e t r a n s f o r m a t i o n a n d t h a t t h e p r i o r e x i s t e n c e o f a n y s p e ci f i c

s t r u c t u r e i s n o t a n e c e s s a r y c o n d i t i o n . I t i s s u g g e s t e d t h a t to r e g a r d t h e h e t e r o g e n e o u s

m a r t e n s i t e s t r u c t u r e s a s t w i n n e d m a y b e m i s l e a d i n g : t h e s e r e s u l t f r o m a s i m u l t a n e o u s t r a n f o r m a -

t i o n o f t h e p a r e n t l a t t i c e t o t w o o r m o r e a l t e r n a t e m a r t e n s i t e o r i e n t a t i o n v a r i a n t s ( 12 ). T h e

a p p a r e n t t w i n - l i k e c o h e r e n c y o b s e r v e d i n s o m e h e t e r o g e n e o u s s t r u c t u r e s s h o u l d b e v i e w e d a s d u e

t o t h e p a r t i c u l a r s t r u c t u r e , a n d t o t h e m a n n e r i n w h i c h t h e t r a n s f o r m a t i o n o c c u r r e d . I t i s n o t

i n h e r e n t i n t h e m a r t e n s i t i c t r a n s f o r m a t i o n p e r s e . T h e m o s t s t r i k i n g p u b l i s h e d a c c o u n t o f s u c h

a n e l a s t i c b e h a v i o r , n a m e l y t h a t o b s e r v e d i n F e 3B e , w a s i n f a c t i n t e r p r e t e d a s t w in f o r m a t i o n ( 1 3) ,

a n d f o r m e d t h e b a s i s f o r a t h e o r y o f c o n t i n u o u s m e c h a n i c a l t w i n n i n g . I t i s s u g g e s t e d t h a t

t h e s e o b s e r v a t i o n s m e r e l y i n d i c a t e t h e r e m a r k a b l e s i m i l a r i t i e s b e t w e e n s o m e a s p ec t s o f m a r t e n -

s i t i c t r a n s f o r m a t i o n s a n d o f d e f o r m a t i o n t w i n n i n g.

A m o r e e x t e n s i v e a c c o u n t o f t h e e f f e c t s o f a p p l i e d s t r e s s o n t h e m a r t e n s i t i c t r a n s f o r m a t i o n , a n d

o f t h e m e c h a n i s m o f t h e m e c h a n i c a l m e m o r y i n T i N i , w i l l b e r e p o r t e d e l s e w h e r e . T h i s w o r k h a s

b e e n s p o n s o r e d b y t h e B a t t e l l e M e m o r i a l I n s t i t u t e C o l u m b u s L a b o r a t o r i e s .

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1 3 0 S T R E S S - A S S I S T E D M A R T E N S I T E F O R M A T I O N I N T i N i Vo l . 5~ N o . 2

R e f e r e n c e s

1 . D . S . L i e b e r m a n , T h e M e c h a n i s m o f P h a s e Tr a n s f o r m a t i o n s i n C r y s t a l l i n e S o l l d s , I n s t. o fM e t a l s M o n o g r a p h , # 3 3 , 16 7 ( 1 9 6 9 ).

2 . J . W. B o w l e s , C . S . B a r r e t t , a n d L . G u t t m a n , Tr a n s . A I M E , 1 8 8 , 1 4 7 8 ( 1 9 5 0 ).

3 . R . J . Wa s i l e w s k l , S . R. B u t l e r , a n d J . E. H a n l o n , M e t . S c i . J . , ~ , 1 0 4 ( 1 9 6 7 ) .

4 . G . V. K u r d y u m o v a n d L . G . K h a n d r o s , D o k l a d y A. N . SS S R , 6 6 , 2 11 ( 1 9 49 ) .

5 . S . A . Ku l i n , M. Cohen , a nd B . L . Ave r b a ch , Trans . AIME, 194 , 661 (1952 ) .

6 . M . W. Burk a r t a n d T. A . Read , Tra ns . A I ME, 197 , 1516 (1953 ) .

7 . Z . S . B a s l n s k i a n d J . W. C h r i s t i a n , A c t a M e t . , ~ , i 0 1 ( 1 9 5 4 ) .

8 . D . S. L i ebe rm an , M . S. Wec h s l e r, and T. A . Read , J . app l . Phys . , 26 , 473 (1955 ) .

9 . R . I , G a rbe r, Z h . Exp . Te o r. F i z . , 17 , 6 3 (1947 ) .

1 0 . H . K . B i r n b a u m a n d T. A. R e a d , Tr a n s . A I M E , 2 1 8 , 6 6 2 ( 1 9 6 0) .

11 . F. L a v es , Ac t a Me t . , 14 , 5 8 (1 9 66 ) .

1 2 . K . O t s u k a a n d K. S h i m l z u , J a p a n J . a p p l . P h y s . , 8 , 11 0 6 ( 1 9 6 9 ) .

1 3 . G . F. B o 11 I n g a n d R. H . R i c h m a n , A c t a M e t . , 1 3 , 7 2 3 ( 1 96 5 ) .