锻态Ni60Ti合金普通时效处理中的氧化行为研究开题报告.doc

毕业设计开题报告题目：锻态Ni60Ti合金普通时效处理中的氧化行为研究专业名称: 材料成型及控制工程 班级学号: 10033619 学生姓名: 姜钰荣 指导老师: 鲁世强 填表日期 2014 年 4 月 6 日目 录一 选题的依据、意义及目的：(1)二 国内外研究概况及发展趋势(1)2.1 国内外NiTi合金的研究概况(1)2.2 国内外TiNi合金的发展趋势(2)2.3 NiTi合金氧化行为研究现状(3)三 研究内容及研究方案(4)3.1研究内容(4)3.2研究方案(5)四、目标、主要特色及工作进度(5)4.1目标(5)4.2主要特色(5)4.3工作进度(5)参考文献(5)南昌航空大学学士学位毕业设计开题报告1 选题的依据、意义及目的：形状记忆合金(Shape Memory Alloy,SMA)是指具有一定初始形状的合金在低温下经塑性形变并固定成另一种形状后,通过加热到某一临界温度以上又可恢复成初始形状的一类合金。形状记忆合金具有的能够记住其原始形状的功能称为形状记忆效应(Shape Memory Effect,SME)。形状记忆合金作为一种特殊的新型功能材料,是集感知与驱动于一体的智能材料,因其功能独特,可以制作小巧玲珑、高度自动化、性能可靠的元器件而备受瞩目,并获得了广泛应用1。NiTi形状记忆合金是目前所有形状记忆合金中应用最早，研究最充分，性能最可靠的一种形状记忆合金，已被广泛地应用于航空航天、机械制造、建筑等工程领域和医学领域2-5。随着NiTi合金（以下统指NiTi形状记忆合金）在各个领域的应用不断扩展,人们也迫切地希望深入地了解其更为详细的特点和性能。然而，由于其应用正变得普遍，更需要知道关于它在高温环境中的氧化行为对材料力学性能的影响，在前人对NiTi合金所进行的各项研究中，关于NiTi形状记忆合金氧化行为方向的研究还不是很多。Ni60Ti合金氧化行为的数据很少,Ni60Ti合金的氧化机制也不能很好地理解。加热工艺参数对实际生产提供理论预测指导，因此我们更需要知道锻态Ni60Ti合金在不同加热温度下的氧化行为。如今NiTi合金已广泛用于航空航天、核能海洋工程等领域的关键零部件中，所以去了解NiTi合金的氧化行为是很有意义的，例如NiTi合金氧化层的成分对其抗氧化性的影响等。本课题将通过对锻态Ni60Ti合金进行普通时效处理来研究其氧化行为，一方面分析加热工艺参数对合金氧化层厚度和重量变化的影响规律以及氧化层相的组成成分，另一方面分析加热工艺参数对基体组织晶粒尺寸以及硬度变化的影响规律。希望通过本课题的研究能进一步了解锻态Ni60Ti合金的高温氧化行为，所得分析结果能对其实际生产提供理论依据与指导。2 国内外研究概况及发展趋势2.1国内外NiTi合金的研究概况在金属中发现形状记忆效应最早可追溯到20世纪30年代。1938年,美国的Greningerh和Mooradian在Cu-Zn合金中发现了马氏体的热弹性转变。随后,前苏联的Kurdiumov对这种现象进行了研究。1951年,Chang和Read在Au-47.5at%Cd合金中用光学显微镜观察到马氏体界面随温度的变化而发生迁动。这是最早观察到金属形状记忆效应的报道。数年后,Burkhart在In-Ti合金中观察到同样的现象。然而在当时,这些现象的发现只被看作是个别材料的特殊现象而未能引起人们足够的兴趣和重视。直到1963年,美国海军武器实验室的Buehler等人发现等原子比的Ti-Ni合金具有优良的形状记忆功能,并成功研制出具有实用价值的形状记忆合金“Niti-nol”以后,才引起了人们的广泛兴趣,对形状记忆合金的研究从此进入了一个新的阶段7。1969年,Raychem公司首次将Ni-Ti合金制成管接头应用于美国F14战斗机上;1970年,美国将TiNi记忆合金丝制成宇宙飞船用天线。这些应用大大激励了国际上对形状记忆合金的研究与开发。20世纪70年代,相继开发出了Ni-Ti基、Cu-Al-Ni基和Cu-Zn-Al基形状记忆合金;80年代开发出了Fe-Mn-Si基、不锈钢基等铁基形状记忆合金,由于其成本低廉、加工简便而引起材料工作者的极大兴趣。从20世纪90年代至今,高温形状记忆合金、宽滞后记忆合金以及记忆合金薄膜等已成为研究热点8。从SMA的发现至今已有四十余年历史,美国、日本等国家对SMA的研究和应用开发已较为成熟,同时也较早地实现了SMA的产业化。我国从1977年开始Ti-Ni合金研究,已有20多年的历史。研究单位包括哈尔滨工业大学、北京有色金属研究总院、上海钢研所、天津冶金材料研究所、西北有色金属研究院、大连理工大学、华南理工大学、上海交通大学等几十个单位和院校。研究可大致分为三个阶段:(1)1978年1986年,主要从事形状记忆效应、超弹性、生物相容性等基础研究,取得了很多科研成果,为以后的应用开发奠定了基础;(2)1987年1997年,主要开展应用研究,材料的研制单位和应用单位加强联合,开发实用化技术,生产技术逐渐成熟,产品性能趋于稳定,产量提高,尤其是深加工技术得到明显改进,产业化条件日趋成熟;(3)1998年至今,市场已经形成,并很快吸引了一批综合实力优越的公司开始专业化生产9。2.2国内外TiNi合金的发展趋势NiTi合金自问世以来,经国内外专家和学者30多年的潜心研究和开发,已经从实用化走向商品化,市场已初具规模,一个新兴的产业正在形成。NiTi合金因为兼有温度传感器和驱动器一箭双雕的效果,所以用其制造器 件可达到省力、节能、节省空间、降低成本的目的,其用途也是极其广泛的。在美国以飞机、舰艇等军事装备为主在航空和航天技术上最早得到实用,并已推广用于高科技和民用产品上。在俄罗斯、德国和法国其应用已遍及机械、冶金、矿山直到医疗器械等各个领域。在日本则以家用电器为主,广泛用于日用工业品生产。目前付诸实用的形状记忆合金,主要是镍钛系合金和一部分铜锌铝系合金。今后将着重于开发更为廉价和节省镍、钛资源的实用性合金,特别是铁基形状记忆合金作为单向性形状记忆合金用作连接件之类结构材料是有发展前途的。还将致力于开发使用温度范围更宽、疲劳寿命好、变形回复量大的合金,以及形状记忆效应发生应力大、加工性等特性进一步改善的新型合金。我国拥有良好的镍钛资源条件,且形状记忆合金应用大多为小型制品,用量都不太大。因此,在我国更有利于发展这类材料,为国防现代化和国民经济建设服务。2.3NiTi合金氧化行为研究现状根据新型Crl9Ni28Ti合金在700、800和900下高温氧化后表面的XRD图。合金700得到的氧化膜主要成分是基体合金和Cr203，还有少量Mnl.5Crl.5O4和Fe(Ni)Cr204的峰。当温度升高到800时，光谱中出现了Fe2.95Si0.05O4的峰，并且基体的峰明显减弱，而Cr203的峰增强。900时基体峰值减弱得更加明显，增加了TiO2的峰。900氧化仍能检测到基体峰。说明该合金产生的氧化膜非常薄，抗氧化性能好。这主要是因为高温氧化生成了致密的保护性Cr203膜和Mn、Cr、Fe的复合氧化物10。姜飞11采用DSC测试来分析了NITi合金的相变温度,相变潜热和相变顺序从而得到富Ni的NITi合金在不同时效条件下的相变行为；经对NITi合金进行普通时效处理,研究了普通时效对相变行为的影响研究结果表明，不同的时效温度处理NITi合金具有不同的相变行为和相变顺序其次采用Instron3365电子拉伸实验机，对不同时效态的NITi合金进行循环力学测试，综合分析了时效温度及拉伸温度对NITi合金力学行为的影响研究结果表明:在相同的拉伸温度下，经不同的时效温度处理的NITi合金试样有不同的拉伸行为;分别表现为:超弹性、部分超弹性和形状记忆效应。在不同拉伸温度下,随着拉伸温度的升高,NITi合金需要更大的应力去诱发马氏体相变。当拉伸温度上升到一定值时,NITi合金超弹性消失。最后,文中采用XRD来分析NITi合金不同时效状态有不同的析出物的种类。结果表明,当时效温度在833K以下析出相是Ni4Ti3,当时效温度达到833K一923K时析出物是Ni3Ti2,923K一1O00K时效温度时的析出物是Ni3Ti,当时效温度高于1000K合金中无析出物产生。C.L. Chu等12用热重分析研究了近等原子比NiTi形状记忆合金在5501000的干燥空气中的等温氧化行为。利用X-射线衍射（XRD），扫描电子显微镜（SEM）和电子探针显微分析对合金的氧化层进行深入研究。实验结果表明，多分层的组成包括了最外的金红石层、中间的由TiO2与Ni(Ti)相混合的多孔层，以及最内薄的TiNi3层。并且，在TiNi3界面中间层呈现出条纹状的层状结构。NiTi形状记忆合金氧化的表观活化能为226kJ/mol，而且氧化速度符合抛物线规律。提出NiTi形状记忆合金氧化机制的原理用来解释所观察到的结果。高智勇等13采用动态机械分析仪(DMA)、透射电镜(TEM)和示差扫描量热分析仪（DSC）等手段，系统地研究了时效处理对 TiNi 合金阻尼行为的影响规律及其微观机制。结果表明，第二相粒子对合金阻尼行为具有不同的影响。细小、弥散的 Ti3Ni4相提高了 TiNi 合金相变过程中马氏体的阻尼值，粗片状的 Ti3Ni4相对阻尼行为的影响较小。李崇剑等14研究Ti-5018%Ni形状记忆合金丝在-50e110e的力学性能以及力学性能、残余应变、屈服平台与温度之间的关系。结果表明,在不同温度下,材料表现出不同的力学特征, 10e以上材料表现出超弹性,但当温度达到110e以上时,超弹性消失。10e以下,材料表现出形状记忆效应。10e左右时,应力诱发马氏体达到最大量,最大可回复应变为715%,此时屈服平台最宽,残余应变最小,超弹性最好。随着温度和应力的增加,不可逆塑性变形的比值增加,超弹性变形逐渐减弱以至消失。3 研究内容及研究方案3.1研究内容（1）分析中温时效处理锻态Ni60Ti合金试样重量的增加、厚度影响规律；（2）分析锻态Ni60Ti合金试样氧化皮的组成物、相成分；（3）观察锻态Ni60Ti合金试样基体组织变化并分析其演变规律；（4）进行去除氧化皮后的锻态Ni60Ti合金试样硬度测试 。3.2研究方案（1）利用试验数据绘出试样重量的增加与氧化时间的关系曲线，分析氧化时间对试样重量的增加的影响；（2）利用XRD观测氧化表面、氧化皮的组成相和组织；（3）利用金相显微镜和SEM观察氧化试样的横截面和基体组织形貌；（4）利用硬度计测试去除氧化皮后的锻态Ni60Ti合金试样硬度。4 目标、主要特色及工作进度4.1目标利用中温时效处理对锻态Ni60Ti合金试样氧化层重量的增加、厚度的变化影响规律 、合金试样氧化层相的成分、时效处理对Ni60Ti合金晶粒尺寸的影响规律以及去除氧化皮后的锻态Ni60Ti合金试样硬度去了解合金在普通时效中的氧化行为。4.2主要特色本课题通过对锻态Ni60Ti合金表面氧化层的相组成的观察、对合金表面氧化层的厚度、硬度的测量以及去除氧化层后，合金表面的显微硬度的测量来研究合金时效处理中的氧化行为。4.3工作进度1、收集和阅读相关资料，熟悉课题背景 2014.03.09-03.222、撰写开题报告，翻译外文文献一篇 2014.03.23-04.063、进行锻态Ni60Ti合金的普通时效实验 2014.04.07-05.164、撰写毕业论文 2014.05.06-06.165、答辩参考文献1 肖恩忠，形状记忆合金的应用现状与发展趋势.2 Zhao L C，Cai W，Zheng Y F Shape Memory Effect and Supe-relasticity in Alloys M Beijing: National Defence Industry Press，2002 3523 Kazuhiro Otsuka，Ren Xiaobing Recent development in the research of shape memory alloysJ Intermetallics，1999，7( 5) :5114 Zheng H，Zhu Z ANiTi shape memory alloy and orthopaedics application J International Journal of Orthopaedics，2006，27( 4) : 2265 Liu K Y，Lei Y C，Cai W，Zhao L C The investigation progress on TiNi shape memory alloy J Materials Research and Application，2007，1( 2) : 866 炎彬，游碧龙循环流化床锅炉风帽合金的组织及抗高温氧化性能研究J功能材料，2012，43(8)：10681072.7 杨大智. 智能材料与智能系统. 天津: 天津大学出版社,，2000.8 王 辉,陈再良.形状记忆合金材料的应用.机械工程材料，2002，26(3): 58.9 刘礼华，杨 恒等.镍钛形状记忆合金应用及产业化现状.新材料产业，2002，(8): 2932.10 郑玉峰.形状记忆合金产业现状与展望.新材料产业，2001(5): 1618.11 姜飞. 时效对富Ni的NITi合金相变和力学行为的影响. 工学硕士学位论文，哈尔滨工程大学.12 C.L. Chu, S.K. Wu*, Y.C. Yen .Oxida