（凝聚态物理专业论文）多晶niti合金中应力诱发马氏体相变的原位研究.pdf

摘要 摘要 n i t i 形状记忆合金的超弹性、形状记忆效应、良好的耐腐蚀性和与人体骨骼 接近的杨氏模量等优异性质使它成为生物医用、工业和日常生活等领域的重要材 料。n i t i 合金力学性能的优异性是因为在外界应力或温度场作用下材料内部发生 的可回复马氏体相变。作为具有典型热弹性马氏体相变特征的重要材料之一，研 究多晶n i t i 合金系统在外界应力作用下的马氏体相变行为具有重要的理论价值 和实际应用意义。本文利用先进的基于扫描电镜的背散射电子衍射技术，对外力 作用下多晶n i t i 合金中马氏体相变的晶体学行为进行了原位研究并取得了以下 成果： ( 1 ) 发展了一系列扫描电镜中原位拉伸、压缩和弯曲变形过程中显微结构和力 学性能相关性研究的实验方法和实验技术。这些技术和装置可较广泛的应用于块 体材料的弹塑性转变的晶体学特征研究。 ( 2 ) 用单表面迹线分析法结合定量的相变晶体学计算发现，在外界单轴应力作 用下单个晶粒内马氏体变体与外界应力的关系符合s c h m i d 定律。 ( 3 ) 发现多晶n i t i 合金中相邻晶粒间的马氏体形核行为满足协作催化效应；阐 明了单轴拉伸过程中宏观非均匀马氏体相变带( 又称l i i d e r s 带) 的形成和传播的 晶体学机制。l i i d e r s 带与应力方向的切变角会随样品局部晶粒取向分布的变化而 变化；在单轴拉伸过程中，l i i d e r s 带容易在具有较强织构的多晶n i t i 合金中形成， 而在位错密集的冷轧样品和低温退火样品以及压缩变形的n i t i 合金中则不容易 形成l f i d e r s 带。 ( 4 ) 结合n i t i 管状样品单轴拉伸压缩过程中的力学行为和马氏体相变晶体学理 论阐明了多晶n i t i 合金中马氏体相变的临界应力、相变应变和应力滞后在拉压 应力下所表现出的非对称行为与材料的晶体取向分布密切相关；根据拉应力和压 应力的s c h m i d 因子和相变应变值的分布可以将晶体学取向空间分别划分为两个 区域。晶体取向分布在同一区域具有相同的拉压非对称行为。 ( 5 ) n i t i 带状样品的纯弯曲实验表明，材料容易在拉应力下形核；拉压应力下 的非对称马氏体相变行为使得应力为零的中线向受压应力一侧移动。e b s d 研究 表明弯曲变形中的非对称马氏体相变是由样品的晶粒取向决定的。 ( 6 ) 利用发展的原位变形技术和马氏体相变晶体学理论，成功的研究了医用n i t i 北京t 业大学理学博+ 学位论文 周边血管支架在复杂应力下的马氏体相变行为。解决了有限元模拟和x 射线衍射 等技术所不能解决的问题，为直接研究器件变形过程中的弹塑性转变行为( 应 力诱发马氏体相变、滑移和晶粒转动等) 提供了新技术和新方法。 关键词：n i t i 形状记忆合金；应力诱发马氏体相变；背散射电子衍射( e b s d ) ； 晶粒取向；应力方式 i i a b s t r a c t a b s t r a c t a sa l li m p o r t a n tm a t e r i a lb e i n g a p p l i e di nb i o m e d i c a ls c i e n c e ，a e r o s p a c ei n d u s t r y a n do u rd a i l yl i f e ，t i n is h a p em e m o r ya l l o y sp o s s e s ss u p e r e l a s t i c i t y ，s h a p em e m o r y e f f e c ta n dt h eg o o dc o r r o s i o nr e s i s t a n c ea sw e l la st h ec o m p a t i b l ey o u n g sm o d u l u st o h u m a n sb o d y 1 1 1 e m a g i c ”- p r o p e r t i e so f n i t ia l l o y sa r ea t t r i b u t e dt ot h ee x t e r n a l s t r e s so rt e m p e r a t u r e - i n d u c e dr e c o v e r a b l em a r t e n s i t i ct r a n s f o r m a t i o n a sat y p i c a l t h e r m o e l a s t i cm a r t e n s i t i ct r a n s f o r m a t i o nm a t e r i a l ，t h ei n v e s t i g a t i o n so ft h em a r t e n s i t i c t r a n s f o r m a t i o nu n d e re x t e r n a ls t r e s si np o l y c r y s t a l l i n en i t ia l l o y sh a sb o t ho f t h e o r e t i c a la n d p r a c t i c a li m p o r t a n c ea n ds i g n i f i a c n c e i nt h i ss t u d y ，t h e c r y s t a l l o g r a p h i cc h a r a c t e r i s t i c so fs t r e s s i n d u c e dm a r t e n s i t i ct r a n s f o r m a t i o nw e r ei n s i t u i n v e s t i g a t e du s i n gt h ea d v a n c e de l e c t r o nb a c k s c a t t e rd i f f r a c t i o nt e c h n i q u e e q u i p p e di ns c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p e n 圮f o l l o w i n gr e s u l t sw e r ea c h i e v e d ： ( 1 ) as e r i e so fn o v e li ns i t ut e n s i l e ，c o m p r e s s i v ea n db e n d i n gd e f o r m a t i o nm e t h o d s a n dt e c h n i q u e sf o rc o r r e l a t i n gt h em i c r o s t r u c t u r ea n dt h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e su n d e r s c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p eh a v eb e e nd e v e l o p e di nt h i st h e s i s ； ( 2 ) u s i n gt h es i n g l es u r f a c et r a c ea n a l y s i sa n dt h eq u a n t i t a t i v ec a l c u l a t i o no ft h e m a r t e n s i t i ct r a n s f o r m a t i o nc r y s t a l l o g r a p h y , t h es e l e c t i o no ft h em a r t e n s i t i cv a r i a n t si n i n d i v i d u a lg r a i nr e g a r d i n gt h ee x t e r n a ls t r e s sw a sd e t e r m i n e dt of o l l o wt h es c h m i d s l a w ( 3 ) u n d e re x t e m a ls t r e s s ，t h en u c l e a t i o no fm a r t e n s i t ev a r i a n t sa m o n gn e i g h b o r i n g g r a i n s i n p o l y c r y s t a l l i n e n i t i a g g r e g a t e s w a sr e v e a l e dt o s a t i s f y t h e c o o p e r a t i v e - c a t a l y t i ce f f e c t t h ec r y s t a l l o g r a p h i cm e c h a n i s m sf o rn u c l e a t i n ga n d p r o p a g a t i n gt h el f i d e r ss h e a rb a n da r ec l a r i f i e d t h es h e a ra n g l e so ft h el f i d e r sb a n d s w i t ht h ee x t e r n a ll o a d i n gf o r c ea x i sv a r y 、) l ，i t ht h eg r a i n s l o c a lo r i e n t a t i o nd i s t r i b u t i o n t h e s t u d yf u r t h e rp r e s e n t e dt h a ti ti se a s i e rt of o r ml i i d e r sb a n d si np o l y c r y s t a l l i n e n i t ia l l o y sw i t hs t r o n gt e x t u r eu n d e ru n i a x i a lt e n s i o n i ti sd i f f i c u l tt of o r ml f i d e r s b a n d si nc o l dr o l l e d s p e c i m e n ，c o l dr o l l e ds p e c i m e n sa n n e a l e db e l o wt h e r e c r y s t a l l i z a t i o n r e c o v e r i n gt e m p e r a t u r e s ，a n dt h en i t ia l l o y su n d e rc o m p r e s s i o n s t r e s ss t a t e ( 4 ) t h ei n t e g r a t e di n v e s t i g a t i o no ft e n s i l ea n dc o m p r e s s i v et e s t so nt h em e c h a n i c a l p r o p e r t i e so fn i t it u b es p e c i m e n sa n dt h ec r y s t a l l o g r a p h i ct h e o r yo fm a r t e n s i t i c t r a n s f o r m a t i o nr e v e a l st h a tt h e t e n s i l e c o m p r e s s i v ea s y m m e t r i ct r a n s f o r m a t i o n b e h a v i o r si n p o l y c r y s t a l l i n e n i t i a l l o y si n c l u d i n g t h ec r i t i c a lm a r t e n s i t i c 1 1 1 北京工业大学理学博士学位论文 1 d l , , 一m 鼍l t r a n s f o r i l l a t i o ns t r e s s ，t h et r a n s f o r m a t i o na n dt h es t r e s sh y s t e r e s i si sc l o s e l yr e l a t e dt o t h eo r i e n t a t i o nd i s t r i b u t i o no fg r a i n s t h eo r i e n t a t i o ns p a c ei ss e p a r a t e di n t ot w o r e g i o n s b a s e do nt h ec a l c u l a t i o no ft e n s i l e c o m p r e s s i v es c h m i df a c t o r sa n d m a r t e n s i t i ct r a n s f o r m a t i o ns t r a i n s f o ro r i e n t a t i o n sd i s t r i b u t i n gi nt h es a m er e g i o n ，t h e s a m ea s y m m e t r i ct e n s i l e c o m p r e s s i v et r a n s f o r m a t i o nb e h a v i o r si sp r e d i c t e d ( 5 ) t h ep u r eb e n d i n gt e s t so fn i t is t r i ps p e c i m e nr e v e a lt h a ti ti se a s i e rt on u c l e a t e m a r t e n s i t eu n d e rt e n s i l es t r e s s n l ea s y m m e t r i cm a r t e n s i t i ct r a n s f o r m a t i o ns h i f t st h e n e u t r a l s t r a i nl i n e t ot h ec o m p r e s s i v es i d e t h ee b s dr e s u l t si n d i c a t et h a tt h e a s y m m e t r i ct r a n s f o r m a t i o ni sd e t e r m i n e db yt h eo r i e n t a t i o nd i s t r i b u t i o no fg r a i n s ( 6 ) u s i n gt h ei ns i t ud e f o r m a t i o nt e c h n i q u e s ，t h em a r t e n s i t i ct r a n s f o r m a t i o nb e h a v i o r s i nv a s c u l a rn i t is t e n tu n d e rc o m p l e xl o a d i n gc o n d i t i o n sw e r es u c c e s s f u l l ys t u d i e d t h e s ee x p e r i m e n t a lt e c h n i q u e ss o l v e dt h ep r o b l e m sw h i c hc a n n o tb ef i x e db yr e g u l a r m e c h a n i c a lt e s t i n g ，f i n i t ee l e m e n ts i m u l a t i o na n dx r a yd i f f r a c t i o ne t c t h e s en e w m e t h o d sa n dt e c h n i q u e sc a nb eg e n e r a l l ye m p l o y e dt oi n v e s t i g a t et h ee l a s t i c - p l a s t i c t r a n s i t i o n s ( s t r e s s - i n d u c e dm a r t e n s i t i ct r a n s f o r m a t i o n ，s l i pa n dg r a i nr o t a t i o n ，e t c ) i n r e a ld e v i c e s k e y w o r d s ：n i t is h a p em e m o r ya l l o y s ，s t r e s s i n d u c e dm a r t e n s i t i ct r a n s f o r m a t i o n , e b s d ，o r i e n t a t i o n ，s t r e s ss t a t e i v 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽 我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过 的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了 谢意。 关于论文使用授权的说明 6 、l 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留送交 论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用 影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 魏毫一名壤蜞魄 夕甲。6 、 | 第1 章n i t i 形状记忆合金的基本性质及应用 第1 章n i t i 形状记忆合金的基本性质及应用 1 1 绪论 1 1 1 形状记忆效应 n i t i 形状记忆合金具有超弹性、形状记忆效应、良好的生物相容性和与人体 骨骼接近的杨氏模量等一系列优异的物理性质。因此，n i t i 合金被广泛的应用于 工业、航空航天、军事以及生物医学领域【l 】。1 9 6 3 年，美国海军武器研究室的 b u e h l e r 博士在一次偶然的机会发现近等原子比的n i t i 合金具有形状记忆效应【z j 。 形状记忆效应的研究最早可追溯至u 1 9 3 8 年，g r e n i n g e r 和i m o o r a d i a n l 3 1 发现在c u - z n 合金加热和冷却过程中马氏体会随之收缩与长大。1 9 4 9 年，k u r d j u m o v l 4 | 在 c u - a 1 - n i 合金中发现冷却样品可使马氏体形成并长大，升温时马氏体收缩直至消 失发生逆相变，这类相变被称为热弹性马氏体相变。图1 1 是形状记忆效应的示 意图。将样品从初始状态i 大应交弯曲到状态i i ；卸载应力后，样品内的弹性应 变回复而塑性变形只有部分回复，样品回复到状态i i i ：对处于状态i i i 的样品加热 到某一温度( 如马氏体逆相变开始温度m s ) 时，样品的塑性变形开始回复； 当加热样品到更高的温度( 如马氏体逆相变结束温度m f ) 时，样品的塑性变 形完全消失，样品形状回复到变形前的形状( 状态i v ) 。 北京工业大学理学博士学位论文 图1 1 弯曲变形n i t i 合金的形状记忆效应示意图。 f i g u r e1 - 1i l l u s t r a t i o no ft h es h a p em e m o 拶e f f e c tf o rn i t ia l l o y su n d e rb e n d i n gt e s t 1 1 2 超弹性 n i t i 合金除具有形状记忆效应外还具有优异的力学性能超弹性伪弹性。 超弹性伪弹性是指卸载应力后，样品的应变可完全或部分回复( 在后续的加热 过程中完全回复) 。n i t i 合金的超弹性包括相变引起的伪弹性、马氏体再取向引 起的伪弹性以及相变和马氏体再取向耦合的伪弹性【5 j 。在外界应力作用下，弹性 变形阶段以后应变的释放可以通过滑移和应力诱发马氏体相变来进行，而滑移所 产生的塑性变形在随后的加热过程不能完全回复。因此要想获得伪弹性超弹性， n i t i 合金必须经过一定的热机械处理，使样品内诱发滑移所需应力高于诱发马氏 体相变所需应力。n i t i 合金中的无扩散型热弹性马氏体相变【6 】是材料具有伪弹性 的另一个前提条件。 - 、 c 咭 厶 茎 、_ 2 s t r a i n ( ) 图1 - 2 超弹性n i t i 带状样品的应力应变曲线。 f i g u r e 1 - 2t h es t r e s s - s t r a i nc u r v ef o rs u p e r e l a s t i cn i t is t r i p 图1 2 是美国记忆合金公司( m e m r yc o u s a ) 提供的超弹性n i t i 记忆合金 单轴拉伸的应力应变曲线，应变速率为1 0 4 s 。图中的应力应变曲线可以划分 为以下几个阶段：( i ) 母相的弹性变形阶段、( i i ) 应力诱发马氏体相变阶段、( i i i ) 马氏体相的弹性回复阶段、( i v ) 马氏体逆相变阶段和( v ) 母相的弹性回复阶 段。从图中可以明显看出n i t i 合金的超弹性：样品7 变形后的残余应变仅为 2 第1 章n i t i 形状记忆合金的基本性质及应用 0 1 。当应变速率很低且样品具有明显的择优取向时，马氏体相变可以在恒定应 力下持续进行，如图1 2 所示的应力平台。通常认为平台的开始和结束分别对应 马氏体相变的开始和结束。而最近的原位光学实验发现在平台结束时还有部分的 残余母相没有转化为马氏体 7 1 。 1 2n i t i 合金的晶体学研究 1 2 1 晶体结构常数 1 9 5 7 年p h i l i p 8 】确定n i t i 合金母相的单胞为简立方结构，晶体结构常数为 a l = b l = c = o 3 0 1 5 n m , a l = j b l = y l = 9 0 。在n i t i 合金研究初期，马氏体的结构一 直是人们研究的热点和难点。1 9 6 1 年，p u r d y 和p a 玎【9 】确定马氏体的结构为六角 形。1 9 6 5 年，d a u t o v i c h 和p u r d y l l 0 】用透射电子显微镜和x 射线粉末衍射确定马 氏体的结构为三斜。1 9 6 8 年，m a r c i n k o w s k i 等【1 1 】确定n i t i 合金中有两种不同的 马氏体，种马氏体的晶体结构常数为a 2 = 0 5 1 9 n m ，b 2 = 0 4 9 6 n m ，c 2 = 0 4 2 5 n m ， 旷9 9 0 ；另一种马氏体的晶格常数为a 2 = 0 5 1 9 n m ，b 2 = 0 5 5 2 n m ，c 2 = 0 4 2 5 n m ， y m = 1 1 6 。1 9 7 1 年，o t s u k a 等【1 2 】和h e h e m a 衄【1 3 】等几乎在同时确定马氏体为单斜 结构，并且给出的晶体结构常数也几乎一致。o t s u k a 1 2 】等所给出的晶格常数为 a 2 = 0 2 8 8 9 n m ，b 2 = 0 4 1 2 n m ，c 2 = 0 4 6 2 2 n m ，a 2 = 托= 9 0 。，废= 9 6 8 。；h e h e m a n n 等【1 3 】 给出的晶格常数为a 2 = 0 2 8 8 3 n m ，b 2 = 0 4117 n m ，c 2 = 0 4 6 2 3 n m ， a 2 = y 2 = 9 0 。，皮- - - 9 6 8 。 1 9 8 5 年k u d o h 1 4 1 归纳前人工作，列于表1 - l 中。在表 中同时列出t i 原子和n i 原子的原子占位。 表1 - 1 不同研究者给出的马氏体相的结构常数口，b ，c ，矗和n 【1 4 1 。 t a b l el - it h el a t t i c ep a r a m e t e r sa ，b ，c ，届a n d ) , lf o rm o n o c l i n i em a r t e n s i t em e a s u r e d b yd i f f e r e n ta u t h o r s 1 4 】 3 ! ：星：些奎兰矍兰坠：堡篁圣 瓦五矗p 玎_ 1 面i i 寡阿1 五面币i 面i 7 可 n i t i 合金中有多种马氏体相变方式，通常观察到的马氏体相变过程为 b 2 忖b 1 9 。在某些n 汀i 合金中，马氏体相变前有一个b 2 h r 的“预相变”，马氏 体相变过程为b 2 h r 竹b 1 9 。在有t i 3 n i , 析出相存在的n i t i 合金中，檑受过 程可以为b 2 h r b 1 9 域b 2 _ r 呻b 1 9 ，b 1 9 叫b 2 1 m 。 f 蘩j 圈1 - 3r 楣的选区电子衍射图。 f i g u r ei 一3 t h es e t e c m da m a d i f f r a c t i o np a t t e m o f rd h a 靼 r 相的一个显著特点是汾倒易空间的( 1 1 0 和 方向1 圩位置处有超反射 出现如图i 3 所示。1 9 6 5 年，w a n g 等首先在t i 5 07 5 n - 75 f e l5 合余中发现这 种超反射现象。蔡伟等州发现随着温度的升高，l 3 超反射的强度逐渐降低。r 相单胞为菱形结构，1 9 7 5 年v a t a n a y o n 和h e h e m a n n 确定r 相的晶格常数为 a - 07 3 8 n m ，co5 3 2 n m 。1 9 8 5 年，g o o 和s i n c l a i r 用汇聚束( c b e d ) 的方法确定r 年h 的空f r l 群为西m 1 2 1 i ，他们同时认为r 相变是独立干b 2 b 1 9 及r 舯b 1 9 1 相变 之外的一个独立的相变而非马氏体相变的预相变，r 相l 3 处的超反射足由其宅 间群决定的，r 相和母帽( b 2 ) 的取向关系为( 1 i i ) b f f ( 0 0 0 1 ) r ， 2 1 1 ) 。： i 型孪晶、 0 0 1 ) i 型孪晶、 l i 型孪晶和( 0 0 1 ) 混合型孪晶的 两个不变面和不变方向及孪晶切变的大小1 2 9 17 t a b l e1 - 2t h et w oi n v a r i a n tp l a n e sa n di n v a r i a n td i r e c t i o n sa n dt h es h e a r i n gm a g n i t u d eo f t w i n n i n gf o r 1 1 1 ) t y p e it w i n n i n g ， 1 11 ) t y p e it w i n n i n g , ( 0 0 1 ) t y p e - it w i n n i n g ， t y p e - i i t w i n n i n ga n d ( o oi ) c o m p o u n dt w i n n i n g 2 9 孪晶局hl娲如 j 。i 型；晶( 1 1 1 ) 1 5 1 o 5 11 】( n 6 70 3 41 ) 2 1 1 叭4 11 - 1 ) 2 1 ( 一ll1 )【0 5 4o 4 6l 】( o 2 50 5 11 ) 【芝1 1 0 3 1 i 型孪晶 ( 0 01 ) 3 3 ，3 4 1 i 型孪晶 1 2 8 】 i i 型孪晶 ( o01 ) 混合型孪晶【3 5 】 ( - o 7 21 1 ) 【0 11 】 ( 0 0 1 ) 1 0 0 】 北京工业大学理学博士学位论文 1 2 3 马氏体相变晶体学 n i t i 合金中的马氏体是在一定面( 惯习面- - - h a b i tp l a n e ) 上沿一定方向( 切 变方向一s h e a rd i r e c t i o n ) 切变得到。描述马氏体相变晶体学的理论有b o w l e s - m a c k e n z i e ( b m ) 3 6 】和w e c h s l e r - l i e b e r m a n r e a d ( w l r ) 【3 7 ，3 8 】两种理论。马 氏体相变的惯习面、切变方向、切变大小等描述马氏体相变的参量可由以上两种 理论根据母相和马氏体相的晶格常数计算得到。在实验中观测到的马氏体孪晶大 部分为 i i 型孪晶，它的实验和理论切变系为f 一0 8 6 8 40 2 6 8 80 4 1 3 8 和 一0 8 8 8 8 80 2 1 5 2 30 4 0 4 4 3 【3 9 】。 图1 - 4 ( a ) 马氏体单胞的选取，( b ) 选取的马氏体单胞通过b a i n 畸变转变为 实际的马氏体单胞。 f i g u r e1 - 4 ( a ) s e l e c t i o no ft h eu n i tc e l lo fm a r t e n s i t e ，( b ) t r a n s f o r m a t i o no ft h es e l e c t e du n i tc e l lo f m a r t e n s i t et ot h ee x a c t l yu n i tc e l lb yb a i nd i s t o r t i o n 由马氏体相变唯象理论，马氏体可以从母相通过b a i n 畸变获得。首先在图1 3 6 第1 章n i t i 形状记忆合金的基本性质及应用 ( a ) 所示的母相单胞中选取马氏体的“准单胞”，经图1 3 ( b ) 所示的b a i n 畸变可 以获得实际马氏体单胞。b a i n 畸变的过程包括：母相的 1 0 0 b 2 收缩后得至i j 1 0 0 b 1 9 ， ( 马氏体的f 轴) ，母相的【1 1 0 b 2 收缩后得到马氏体的 0 1 0 b 1 9 ，( 马氏体的，7 轴) ，母相的 0 11 a 2 伸长后获得马氏体相的 0 0 1 b 1 9 ，( 马氏体的七轴) ，最后经 过一个切变将角从9 0 0 变为9 6 8 0 。 由上述马氏体相变唯象理论，可得表1 3 所列的1 2 种晶体学对应关系【3 9 】。图 1 _ 4 所示的母相与马氏体的对应关系( 0 0 1 】b 1 9 ，i i 0 0 1 】1 3 2 ，【0 1 0 】b 1 9 ，0 0 1 1 】1 3 2 和 【0 0 1 】b 1 9 ，j | 【0 1 1 】b 2 ) 对应于表l - 3 中的马氏体变体1 。以上1 2 个晶格对应变体可以 相互组合形成2 4 个惯习面马氏体变体【4 0 】。它们的晶格对应变体组合及对应的惯习 面和切变方向列于表l - 4 中。在晶格对应变体组合中第一和第二个晶格对应变体 分别为“主要”和“次要”变体。 表1 3 母相和马氏体相的晶格对应关系【3 9 1 。 t a b l e1 3l a t t i c ec o r r e s p o n d e n c e si x 吐w e e na u s t e n i t ea n dm a r t e n s i t e 【3 9 1 7 北京t 业大学理学博士学位论文 表l - 42 4 个惯习面变体和对应的晶格对应变体对。晶格对应变体对中的第一个变体和 第二个变体分别为惯习面变体中的“主要”和“次要”变体。2 4 个惯习面变体的惯习面和 切变方向同样列于表中【4 0 】。 t a b l e1 - 4t h e2 4h a b i tp l a n ev a r i a n t sa n dc o r r e s p o n d i n gc o r r e s p o n d e n c ev a r i a n t - p a i r s t h e f i r s ta n ds e c o n dv a r i a n t so ft h ec o r r e s p o n d e n c ev a r i a n t - p a i r sa r et h e m a j o r a n d m i n o d v a r i a n t s ，r e s p e c t i v e l y t h eh a b i tp l a n e sa n ds h e a rd i r e c t i o n sf o r t h e2 4h a b i tp l a n ev a r i a n t s a r ea l s ol i s t e di n 廿l i st a b l ef 4 0 1 8 耋：譬：叠兰鉴墨兰三耋墼兰：兰要墨兽望 1 3 马氏体相变的取向和应力方式的相关性 n i t i 台金中从母相到马氏体相的转变可以通过降温或施加应力实现。表1 _ 4 所列的2 4 个马氏体变体通过降温都有可能被诱发。应力作用下马氏体变体的选 择由s c h m i d 定律决定队蚓。图1 5 是样品在单轴拉应力和压应力下应力诱发马 氏体相变的示意图。其中n d ”( n o r m a ld i i e c f i o no fh a b i tp l a n e ) 和s d ( s h e a r d i r e c t i o n ) 分别表示惯习面法线方向和马氏体切变方向，d 和口分别为应力方向口 与n d ”和s d 的夹角。 图1 - 5 ( a ) 拉应力和( b ) 压应力下s c h m l d 定律的示意图。其中n d “和s d 分别表示惯习 面法线方向和马氏体切变方向。，和，分别是外界施加的拉应力和压应力。a 和口分别为 应力方向口与n d “和s d 的夹角。 f i g u n ：1 5 i l l u s t r a t i o no f t h es c h m i d s l a wu n d e r 抽) t e n s i o na n d b ) c o m p r e s s i o nt h e n d “a n d s dr e p r e s e n t t h en o r m a ld i r e c t i o n o f h a b i t 叫a n ea n ds h e a r d i r e c t i o n ，m s p e c t l v e l yt h e da n d 芦a r e t h ea n g l e sb e t w e e n t h e d i r e c t i o no f s t r c s s 似1a n d t h e n d h a n ds d 假设作用存样品上的力为f 、样品的截面积为a ，则沿切变方向上的应力为 户= 云警s 一。s n ；= m 其中s 瑙“c o s j 为s c h m i d 凼于，o - 为旖加在样品上的应力。由( 1 - 1 ) 式，在 外界应力相等的条件下，2 4 个惯习面变体中s c h n l i d 因子越大，沿该变体切线方 向上的应力分力越高。由于诱发各个变体所需临界应力基本相等，因此s c h m i d 因子越大改变体越容易被诱发。 9 北京工业大学理学博士学位论文 表l - 5 删 0 0 1 1 、【1 0 1 】和 1 1 l 】的n i t i 单晶在拉压应力下的s c h m i d 因子。 t a b l e1 - 5t h et e n s i l e - c o m p r e s s i v es c h m i df a c t o r sf o r o o1 ， 1o1 a n d 【l ll 】o r i e n t a t e dn i t is i n g l ec r y s t a l s 由于拉应力和压应力下的应力诱发马氏体相变分别产生正的和负的相变应 变，因此拉应力和压应力下的马氏体相变具有相反的切变方向，如图1 5 所示。 相反的切变方向决定了拉应力和压应力下样品具有不同的s c h m i d 因子。表1 5 列出取向( 平行于应力方向) 为 o o h 、【1 0 l 】和 1 1 1 】的n i t i 单晶样品拉压应力下 的s c h m i d 因子。理论上， 0 0 1 取向的n i t i 单晶压应力容易诱发马氏体相变，而 1 0 1 和 1 1 1 取向的n i t i 单晶拉应力容易诱发马氏体相变；拉应力下取向 1 0 1 1 的 n i t i 单晶容易诱发马氏体，而压应力下取向为 0 0 1 的n i t i 单晶容易诱发马氏体。 s t r a i n , 岛l 1 0 客笺v_lo疗翌赛 第1 章n m 形状记忆合金的基本性质及应用 文臆i n ，e 1 1 翻嬲【l l l ，1 1 图l - 6 应力方向平行于( a ) 1 0 0 ，( b ) 【l1 0 ，( c ) 【1l1 】的n i t i 单晶在拉压应力下的应力一 应变曲线【4 3 】。 f i g u r ei - 6t h et e n s i l e - c o m p r e s s i v es t r e s s - s t r a i nc u r v e sf o rn i t is i n g l ec r y s t a l sw i t hl o a d i n ga x e s p a r a l l e lt o ( a ) 1 0 0 ，( b ) 11 0 a n d ( c ) 111 4 3 】 g a l l 等【4 3 1 对以上三种取向n i t i 单晶的单轴拉压实验示于图1 - 6 中。从图中 可以看出，实验结果基本与理论预测相符合，但【1 1 l 】取向的n i t i 单晶拉应力和 压应力下应力诱发马氏体相变的临界应力的关系与s c h m i d 定律的预测有偏差。 g a l l 等将这种偏差归结为热处理后t i 3 n i 4 析出相附近的应力集中改变了临界应力 对取向的依赖关系。上述实验结果说明在没有t i 3 n i 4 析出相的前提下，s c h m i d 定律可以很好的预测拉应力和压应力下应力诱发马氏体相变临界应力的关系。该 理论同样适用于多晶n i t i 合金m 】。 一叠至v_loj嚣嚣诺 耋善_i：o疗鬟 ! ! 坚三些奎兰呈耋矍三兰堡兰三 1 4 非均匀应力诱发马氏体相变的研究 i4 1n i t i 带状样品中的l f i d e r s 带研究 1 9 8 1 年m i y a z a k i 等【4 5 1 在单轴拉伸过程中发现n i t i 带状样品中的应力诱发马 氏体相变类似于钢中的l 硼e n 行为：应力诱发马氏体首先在某些区域形核，随 着应变的增人耐逐渐扩展到整个样品。随后