External temperature effects on the hysteresis of NiTi wires in dampers for stay-cables

The use of NiTi wires, one of the Shape Memory Alloy (SMA) materials that permits efficient damping in stayed cables for bridges, requires an appropriate behavior when exposed to the external temperature effects. The Clausius-Clapeyron thermodynamic equation establishes a shift of the hysteretic cycle in the stress-temperature representation of about 6 MPa/K for the used wires of diameter 2.46 mm. Hence, an adequate experimental study is necessary to characterize the temperature effects in working conditions. The conducted analysis is twofold. First, the practical evolution of the hysteresis cycle is investigated. The results suggest that the wire permits a completely satisfactory use for temperatures as low as 253 K (i.e., -20 oC). Second, the focus is placed on the effects of extreme winter actions (i.e., as low as 233 K or -40 oC). A preliminary stress aging process at 373K seems adequate to this requirement. Indeed, after the stress aging, the SMA wire increases their working domain by 300 or 400 MPa and the temperature domain is expanded by 30 – 50 K. Measurements visualizing recoverable dynamical actions in the SMA alloys are also outlined.Peer ReviewedPostprint (published version

The SMA: an effective damper in civil engineering that smoothes oscillations

The properties of SMA (Shape Memory Alloys, that are smart materials) are associated to a first order phase transition named martensitic transformation that occurs between metastable phases: austenite and martensite. At upper temperature or at lower stress the austenite is the metastable phase. The martensite appears at lower temperature or higher stresses. The hysteresis of the transformation permits different levels of applications, i.e., in their use as a damper. Two types of applications can be considered in damping of structures in Civil Engineering. The first one is related to diminishing the damage induced by earthquakes. The second one is a reduction of oscillation amplitude associate to an increase of the lifetime for the stayed cables in bridges.Peer Reviewe

Effects of strain aging in NiTi SMA wires for dampers

SMA NiTi wires experience evolution under constrained aging. A strain and temperature aging sequence is designed and experimented, to ascertain the functionality of the dampers exposed to weatheringPostprint (published version

Functional fatigue recovery of superelastic cycled NiTi wires based on near 100ºC aging treatments

Functional fatigue affecting superelastic behaviour of NiTi wires includes an accumulation of residual strain and an uneven decrement of transformation stress on cycling. Although this evolution is observed to diminish asymptotically, it represents an important loss in the maximum recoverable strain level and in the hysteretic dissipative capacity of the material. In this work, the effect of moderate temperature aging treatment on the functionally degraded material properties was studied with two experimental setups. NiTi pseudoelastic wire samples of 0.5 and 2.46 mm diameter were subjected to different cycling programs intercalated by aging treatments of different durations up to 48 h at 100°C. Results show that important levels of recovery on the residual strains and the transformation stresses were attained after the aging treatments. The analysis indicates that the characteristics of the recovered cycles are rather independent from the treatment duration and from the reached condition before each treatment.Postprint (published version

Microstructural effects of strain aging on NiTi pseudoelastic wires by synchrotron X-ray micro-diffraction

In this work, we explore the consequences of strain aging NiTi wires (2.46 mm diameter) at moderate temperatures (100ºC). The changes of the stress-strain behaviour on aged, as compared with non-aged wires, with comparatively smaller changes in thermal transformation, indicate the existence of relevant strain fields on these wires. The fact that thinner wires perform differently on aging suggests the possibility of radial dependence of the strain fields. Measurements were performed at CELLS-ALBA synchrotron, BL04 Materials Science Powder Diffraction beam-line. X-ray micro-diffraction for near 10 (mm)2 (FWHM) zones on cross-sections of samples was done, aiming to detect residual strains as function of radial position on the wire. The results show very small changes of diffraction peaks position, with more relevant variations near the surface. This might be interpreted as a high sensitivity of the transformation on stresses enabling defined paths of transformation.Postprint (published version

Acoustic evaluation of modular greenery noise barriers

Green noise barriers have become an alternative means of reducing urban traffic noise. In this paper, the acoustic performance of a modular greenery noise barrier is evaluated. In situ measurements of noise reflection were performed using an experimental prototype to estimate the sound absorption coefficients. These coefficients were found to have values of approximately 0.7, higher than those previously found in laboratory measurements for a similar system with a lower vegetation density. The obtained values were input into software for predicting environmental noise to analyse the expected performance of such barriers, particularly in the case of a pair of parallel barriers. A comparison with the results for reflective barriers indicates a significant improvement in sound attenuation of up to 4 dBA. The values are similar and even superior to results reported by other authors regarding the effectiveness of absorptive treatments applied to parallel barriers, and furthermore, the proposed barriers offer an aesthetic element for environmental integration.Peer ReviewedPostprint (published version

SMA in mitigation of extreme loads in civil engineering: study of their application in a realistic steel portico

Guaranteeing the use of Shape Memory Alloys (SMA) in mitigation of extreme load effects requires a deep study of the SMA behavior according to the specific requirements of the applications in damping. The damper was defined according the expected requirements (length of SMA and number of SMA wires). It is applied to two types of alloys (CuAlBe and NiTi) in the diagonals of a realistic steel portico (2.47 m x 4.10 m). The measurements establish that the used SMA reduces the oscillation amplitude to a less than a half.Preprin

Ordering kinetics evaluation of FeAl powders

In this study, time resolved X-ray diffraction experiments using synchrotron X-ray radiation have been performed to get insight on the time and temperature dependent atomic ordering of an intermetallic Fe-40Al (at.%) ball-milled powder. The target of the present study is to gain knowledge on the rapid heating processes occurring during Thermal Spray coating processes. Present results show that in the temperature range 400 °C - 550 °C, the evolution of the order can be followed and modelled by fitting the powder diffraction patterns collected within the first minutes after fast heating. Reasonable refinements have been obtained by assuming the presence of two domains corresponding to the ordered and disordered lattices. The lattice constant changes from 0.29165 nm in the ball-milled powder at room temperature to 0.29281 nm in the ordered phase after 3000 s at 550 °C. The growth of the ordered phase is proposed to be a vacancy-related process with an activation energy of 1.04 eV. Above 550 °C, the ordering kinetics appears too fast to be resolved using the few seconds time scale of the present experiments which is in agreement to thermal spray results conditions.Peer ReviewedPostprint (author's final draft

Ordering kinetics evaluation of FeAl powders

In this study, time resolved X-ray diffraction experiments using synchrotron X-ray radiation have been performed to get insight on the time and temperature dependent atomic ordering of an intermetallic Fe-40A1 (at.%) ball-milled powder. The target of the present study is to gain knowledge on the rapid heating processes occurring during Thermal Spray coating processes. Present results show that in the temperature range 400 degrees C - 550 degrees C, the evolution of the order can be followed and modelled by fitting the powder diffraction patterns collected within the first minutes after fast heating. Reasonable refinements have been obtained by assuming the presence of two domains corresponding to the ordered and disordered lattices. The lattice constant changes from 0.29165 nm in the ball-milled powder at room temperature to 0.29281 nm in the ordered phase after 3000 s at 550 degrees C. The growth of the ordered phase is proposed to be a vacancy-related process with an activation energy of 1.04 eV. Above 550 degrees C, the ordering kinetics appears too fast to be resolved using the few seconds time scale of the present experiments which is in agreement to thermal spray results conditions

Contribución al estudio de las aleaciones de Cu-Zn-AI mediante calorimetría y emisión acústica

[spa] Hay un gran número de aleaciones que experimentan transformaciones martensíticas termoelásticas (Au-Cd, Ti-Ni, Cu- Zn- Al, Cu- Al- Mo) y, en consecuencia, presentan ciertas propiedades termomecánicas que los convierten en especialmente interesantes para su aplicación en la industria. Estas propiedades son el efecto memoria de forma, simple y doble, la superelasticldad y la alta capacidad de amortiguamiento. Uno de los aspectos de interés en el estudio de los material es que presentan memoria de forma es conocer su evolución cuando se someten a sucesivos ciclos de transformación/ retransformación de la fase matriz a la fase martensítica, ya sea induciendo el cambio de fase por variación de la temperatura o mediante la aplicación de un esfuerzo. Otro aspecto de interés creciente es la introducción de otras fases en la matriz, puesto que pueden modificar la transformaci6n,y por tanto las propiedades de memoria de forma del material. En el presente trabajo hemos abordado los dos puntos de interés mencionados, induciendo la transformación por variación de la temperatura, utilizando un calorímetro de flujo de calor no convencional, de gran sensibilidad, el cual por su configuración permite el acoplamiento con otra técnica de medida: hemos registrado la tasa de emisión acústica que tiene su origen en los cambios bruscos en los campos de esfuerzos internos del material. En primer lugar se han expuesto las características generales de las transformaciones martensíticas, y en particular de las termoelásticas. A continuación se describen las técnicas utilizadas. La primera parte del trabajo realizado consiste en la determinación de los límites de repetitividad del sistema experimental, utilizando muestras nominalmente idénticas sometidas a dos tratamientos térmicos distintos. A continuación se estudia el efecto que produce un ciclado térmico sucesivo (de hasta 400 ciclos de transformación/ retransformación) sobre muestras nominalmente idénticas sometidas a los dos tratamientos térmicos anteriores. Por último, hemos estudiado las modificaciones en la transformación producidas por la introducción de precipitados de fase gamma, crecidos en beta a partir de un tratamiento térmico específico. En los tipos de estudio realizados, se ha efectuado por primera vez un análisis termodinámico completo de la transformación, evaluando los términos elásticos y de fricción que intervienen en los procesos beta n. La primera parte del trabajo nos ha permitido observar que muestras nominalmente idénticas presentan diferencias en las temperaturas de transformación y en los valores del calor y de la variación de entropía, que pueden ser superiores a la incertidumbre en la determinación de los mismos. La aplicación de sucesivos tratamientos térmicos (TT1, enfriamiento al aire; TT2, enfriamiento por templado) a una misma muestra, sobre un conjunto de muestras nominalmente idénticas, permite discernir diferencias en los efectos que producen ambos TT en la transformación martensitica: en las muestras sometidas a TT1 el inicio de la transformación tiene un carácter explosivo, y las señales calorimétrica y acústica comienzan simultáneamente. Para las muestras sometidas a TT2 la E.A. comienza mucho antes que la señal calorimétrica, a pesar de que ésta delata pequeños dominios de transformación a temperaturas superiores a las del inicio del grueso de la transformación. Se han podido evaluar con fiabilidad los términos elásticos (Delta H el) y de fricción (E fr), resultando más elevada la energía elástica en las muestras sometidas a TT2, mientras que la E fr es similar en ambos casos. Los resultados nos permiten interpretar que con el templado (TT2) se crean tensiones en la matriz que facilitan la nucleación, y que el carácter inicialmente más termoelástico que presenta la transformación a partir de TT2 es debido a la introducción de defectos en la red, mientras que éstos no juegan un papel muy relevante en cuanto a la E fr. En la segunda parte del trabajo, se ha comparado la evolución de la transformación en muestras nominalmente idénticas sometidas a 400 ciclos a partir de TT1 y de TT2. Se han contrastado las temperaturas de transformación con los resultados ya existentes en la bibliografía, y se ha observado que 400 ciclos no son suficientes para asegurar la no evolución de los parámetros estudiados, si bien el carácter explosivo, mucho más marcado inicialmente las muestras sometidas a TTl 1 desaparece generalmente en más o menos 100 ciclos. La suavización de la transformación es debida a la creación de dislocaciones a lo largo del ciclado sucesivo. La más rápida evolución de de las temperaturas de transformación y de las energías elástica y de fricción en las muestras sometidas a TT1 sugieren que la creación de dislocaciones con el ciclado sucesivo es mayor en éstas durante los aproximadamente 100 primeros ciclos. La evolución global de las temperaturas a partir de ambos tratamientos térmicos indica, en concordancia con las predicciones teóricas, la existencia de dos tipos de dislocaciones: un tipo que facilita la nucleación y el crecimiento de las placas de martensita. y otro que dificulta el avance de las interfases y retrasa la consecución de la transformación. Por otro lado, según los resultados, dichas dislocaciones no producen un aumento indefinido de Delta H el y E fr. Aceptando la hipótesis de que con el ciclado sucesivo la termodinámica de la transformación no varia, a medida que se suceden los ciclos disminuye la cantidad de material transformado. La martensita retenida observada a temperatura ambiente no es suficiente para justificar cuantitativamente este hecho. Algunas anomalías observadas en las muestras sometidas por segunda vez a un ciclado sucesivo largo inducen a pensar que los tratamientos térmicos aquí utilizados (15 min a 850º C) pueden no ser suficientes para devolver a la muestra a su estado inicial En la tercera parte del trabajo se han estudiado las transformaciones martensíticas en muestras de Cu-Zn-AI con precipitados de fase gamma en el seno de beta, crecidos a partir de un tratamiento térmico específico, con tiempos de crecimiento (t*) variables entre 0y 100 s, comparando los resultados con los de una muestra nominalmente idéntica a las anteriores sometida a TT1. Los cambios bruscos observados en el comportamiento global entre t* 40 s se atribuyen a un posible cambio en la coherencia de los precipitados, y al mayor tamaño de éstos, que implica una modificación del campo de esfuerzos entre los precipitados y la matriz, y que afectan la interacción entre la matriz y la martensita. Asimismo, la evolución de la relación entre el número de cuentas de la E.A. entre la transformación inversa y la directa indica que la interacción de los precipitados con la transformación produce un efecto ficha diferente que con la retransformación. También se ha observado que el desplazamiento de las temperaturas de transformación como consecuencia de los precipitados es un efecto permanente, lo cual representa un aspecto de interés en lo que se refiere a la aplicación en la industria, puesto que permite modificar de manera controlada el efecto de memoria de forma del material