（机械电子工程专业论文）femnsi形状记忆合金约束恢复特性研究.pdf

中文摘要 摘要 本文借助膨胀试验、恢复力测量、x 射线衍射分析和金相观察等手段，研究了 f e 1 7 m n 5 s i 1 0 c r - 5 n i 形状记忆合金恢复力以及在水泥复合材料基体约束状态下的逆相 变特征。 膨胀法测量结果分析表明，随着预变形量的增大，f e 1 7 m n 一5 s i 1 0 c r - 5 n i 形状记忆 合金的逆相变开始温度a 。基本保持不变，而逆相变结束温度a f 单调升高，逆相变温度 区间( a 。 a f ) 也随之加宽。 f e 1 7 m n 5 s i 1 0 c r - 5 n i 形状记忆合金恢复力测量分析可知，在相同的预变形量下， 合金的恢复力总随着恢复应变的增大而增大；在相同恢复应变下，合金的预变形量越大 其恢复力也越大。f e 1 7 m n 5 s i 1 0 c r - 5 n i 形状记忆合金试样单向拉伸所测得的恢复力和 恢复应变间的关系可用二次抛物函数来近似表征。f e 一1 7 m n 5 s i 1 0 c r - 5 n i 形状记忆合金 试样在室温条件下预变形时，最大恢复力出现在预变形量为8 左右，合金试样的最大 恢复力为1 8 7 m p a ，相对滞后于6 的最大可恢复应变，这是由于在预变形量较大的情况 下，形变强化提高了合金的强度，使恢复力进一步增加。 x 射线衍射分析表明，自由状态下f e 1 7 m n 5 s i 一1 0 c r - 5 n i 形状记忆合金- 吖马氏 体逆相变的结束温度a f 约为2 5 0 。c 左右：而处于水泥复合材料约束下合金_ y 马氏体 逆相变的结束温度a f 较高，起始温度a 。与终止温度a f 之间的温度区间增大，加热到 5 0 0 。c 时，逆相变仍能进行，在同样的恢复温度下_ y 马氏体逆转变持续时间更长。其 原因是水泥复合材料对f e 1 7 m n 5 s i 1 0 c r - 5 n i 形状记忆合金试样约束后，加热逆相变时 产生的恢复力和水泥复合材料基体对合金试样表层原子的束缚作用，导致了马氏体稳 定化并阻碍了h c p 叶f c c 界面转换。 关键词：f e - 17 m n 5 s i 1 0 c r - 5 n i 形状记忆合金；约束一丫逆相变；逆相变温度；恢复 应变；恢复力 a b s t r a c t i nt m s p a p e r , t h er e c o v e r ys t r e s sa n dt h er e v e r s em a r t e n s i t i c t 瑚m s f o n n a t i o n c n a r a c t e r i s t i c su n d e r c o n s t r a i n e dc o n d i t i o n b y c e m e n t c o m p o s i t em a 埘xmt h e f e 一17 m n - 5 s i - lo c r - 5 n i s h a p em e m o r ya l l o yh a v eb e e ns t u d i e db ym e a n so f e x p a u l s i o nt e s t r e c o v e 巧s 仃e s sm e a s u r e ，x - r a yd i f f r a c t i o n ( x r d ) a n a l y s i sa n d m e t a l l o g r a p h i co b s e r v a t i o n b yt h ee x p a n s i o nt e s ti ti sf o u n dt h a ti nt h ef e - 17 m n - 5 s i 1 0 c r 5 n is h a p em 锄。珥a 1 1 0 v t h ea si sa l m o s ti m m o v a b i l i t y , t h ea fi se l e v a t e d ，a n dt h er e v e r s em a r t e i l s i t i ct m s f o 肺a t i o n t e m p e r a t u r es p a c e ( a s a f ) w a sw i d e n e dw i t ht h ei n c r e m e n to fp r e s t r a i n s b y t 1 1 er e c o v e r ys t r e s sm e a s u r ei ti sf o u n dt h a ti nf e 一17 m n 5 s i 1o c r - 5 n is h a p em e m o r v a l l o y , t h er e c o v e r ys t r e s so ft h ea l l o ya l w a y si n c r e a s e sw i t ht h ei n c r e m e n to ft h er e c o v e r y s t r a i n ，i nt h es a m ep r e 。s t r a i n s ；t h ep r e s t r a i n so ft h ea l l o yi n c r e a s e sw i t hn l ei n c r e m e n t o ft h e r e c o v e 巧s t r e s s ，i nt h es a m er e c o v e r ys t r a i n t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h er e c o v e r ys t r e s sa i l d t h er e c o v e r ys t r a i nw h i c hm e a s u r e db yt h eo n e w a yt e n s i l eo ff e 17 m n 5 s i 1 0 c r - 5 n is h a p e m e m o r ya l l o ys p e c i m e n sc a nb ea p p r o x i m a t e l ye x p r e s s e dw i t ht h e q u a d r a t i c p a r a b o l i c i u n c t i o n lh em a x i m u mr e c o v e r ys t r e s so f f e - 17 m n 一5s i - 10 c r - 5 n is h a p em e m o r ya 1 1 0 vw a s 18 7 m p aw h e nt h ep r e - s t r a i n e dw a sa b o u t8 o nt h er o o m t e m p e r a t u r e ，w h i c hw a s1 a t e rt h a n t h em a x i m u mr e c o v e r a b l es t r a i n a b o u t6 ，b e c a u s e i m p r o v e m e n to ft h es t r e n g t hb v d e f o r m a t i o ni n t e n s i f i c a t i o nc a ni n c r e a s et h e r e c o v e r ys t r e s s f r o mx r d a n a l y s i s ，i ti sf o u n dt h a tt h ea fo f 吖r e v e r s em a r t e n s i t i ct r a n s f o m a t i o no f t h ef e - 1 7 m n - 5 s i - 1 0 c r - 5 n is h a p em e m o r y a l l o yi nu n r e s t r i c t e ds t a t i o n 、v a sa b o u t2 5 0 。c t h e a fo t 一丫r e v e r s em a r t e n s i t i ct r a n s f o r m a t i o no ft h ea l l o yu n d e rc o n s t r a i n e dc o n d i t i o nb v c e m e n tc o m p o s i t em a t r i xi sh i g h e lt h et e m p e r a t u r es p a c eb e t w e e nt h ea s a n da fw a sw i d e n e d ， t h er e v e r s em a r t e n s i t i ct r a n s f o r m a t i o n s t i l lp r o c e e d e dw h e nt h e t e m p e r a t u r ew a s5 0 0 。c c o m p a r eu n r e s t r i c t e dt h et i m eo fc o n s t r a i n e d yr e v e r s em a r t e n s i t i ct r a n s f o 皿a t i o ni n f e - 17 m n _ 5s i _ 10 c r 一5 n is h a p em e m o r ya l l o yl a s t e dl o n g e ru n d e rt h es 锄ec o n d i t i o n s i ti s b e c a u s et h a tt h er e c o v e r ys t r e s sw h i c h p r o d u c e d b yt h er e v e r s em a r t e n s i t i c 仃a i l s f o 姗a t i o na i l d t h ec o n s t r a i n e de f f e c ti nc e m e n tc o m p o s i t e m a t r i x ，l e a d i n gt ot h es t a b i l i z a t i o no fsm a n e n s i t i c a n dh a m p e r i n gt h ei n t e r f a c ec h a n g i n gf r o mh c p t of c c ，w h e nt h ef e m n s is h a p em e m o r v a l l o yw a sc o n s t r a i n e db yt h ec e m e n tc o m p o s i t em a t r i x 英文摘要 k e yw o r d s ：f e - 1 7 m n - 5 s i - 1 0 c r - 5 n is h a p em e m o r ya l l o y ：c o n s t r a i n e d 一丫r e v e r s e m a r t e n s i t i ct r a n s f o r m a t i o n ；r e v e r s em a r t e n s i t i ct r a n s f o r m a t i o n t e m p e r a t u r e ； r e c o v e r ys t r a i n ：r e c o v e r ys t r e s s 大连海事大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：本论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果，撰写成 硕士学位论文! 曼二：苎i 形遮丑：远金金约塞邃复挂挂婴究：。除论文中已经注明引用 的内容外，对论文的研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本 论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表或未公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者签名：趔 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解大连海事大学有关保留、使用研究生学位论文 的规定，即：大连海事大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和 电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连海事大学可以将本学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学 位论文。同意将本学位论文收录到中国优秀博硕士学位论文全文数据库( 中国学术 期刊( 光盘版) 电子杂志社) 、中国学位论文全文数据库( 中国科学技术信息研究所) 等数据库中，并以电子出版物形式出版发行和提供信息服务。保密的论文在解密后遵守 此规定。 本学位论文属于：保密口在年解密后适用本授权书。 不保密( 请在以上方框内打。”) 论文作者签名：钐盔易 导师签名： 础厶哆 日期：伊彳年7 月z 日 f e m n s i 形状记忆合金约束恢复特性研究 第1 章绪论 1 1 引言 形状记忆材料是近几十年发展起来的一种新型功能材料。这种材料最主要的特征是 具有形状记忆效应( s h a p em e m o r ) re f f e c t ，s m e ) ，即具有热弹性马氏体相变的合金材料， 在马氏体状态下进行一定的变形，在随后的加热过程中，当超过某一温度时，材料能恢 复到变形前的形状和体积：或者是具有应力诱发马氏体相变的合金材料进行形变诱发马 氏体相变后，在随后的加热过程中，材料能恢复到变形前的形状和体积，合金材料这种 对初始形状的记忆性能称为形状记忆效应【lj ，而具有这种效应的合金称为形状记忆合金 ( s h a p em e m o r ya l l o y ，s m a ) 。形状记忆合金对材料的几何形状具有“记忆本领。这 类合金可恢复应变量高达7 0 o - 8 ，比一般材料高得多。 形状记忆效应最早是于1 9 2 3 年由美国的a o l a n d e r 在研究a u c d 合金时发现的， 他观察到马氏体随温度的升降而消长的现象。1 9 3 8 年哈佛大学的a b g r e n i n g e r 和麻省 理工学院的v c t m o o r a d i a n 发现了c u s n 、c u - z n 合金在马氏体相变中的类胶皮特性。这 实际是一种与形状记忆合金相关的现象，但并未引起广泛注意。随后，前苏联的 g v k u r d j u m o v 等对c u 1 4 7 a 1 ( 1 0 1 5 ) n i 和c u 2 5 s n 合金的马氏体热弹性转变 进行了研究，从热力学角度讨论了可逆转变的热弹性马氏体。1 9 5 1 年，美国哥伦比亚大 学的l c c h a n g 和t a r e a d 在a u c d 合金中最早观察到形状记忆效应。他们把a u c d 合金经过高温长期退火，发现在随后冷却时，呈现马氏体的单相界面转变现象，逆转变 时恢复母相，再冷却时又恢复为马氏体，反复循环，都是如此。1 9 5 3 年，m w b u r - k a r t 和t a r e a d 在i n t l 合金中也观察到了形状记忆现象。直到1 9 6 3 年才在n i t i 合金中发 现了具有实际应用价值的形状记忆效应【2 1 ，此后，形状记忆效应又相继在c u z n l 3 】和 f e p t 【4 】等多种合金中被发现。经过近4 0 年的研究和发展，目前形状记忆合金在工程和 生物医学中的应用己日渐广泛，并逐步形成了蓬勃发展的高新技术产业【2 ，5 j 0 1 。 在工业上具有实际应用价值的形状记忆合金按成分可分为三大类 2 1 ：n i t i 合金、 c u 基合金和f e 基合金。其中，以n i t i 合金研究最为成熟、应用最为可靠，在美国、 日本、俄罗斯等研究较为先进的国家，n i t i 合金的形状记忆效应和超弹性已经成功地 第1 章绪论 应用在航天、军事、医学、电器控制、机器人驱动、动力工程、阻尼系统以及同常用品 等多个领域中，我国对形状记忆合金的应用研究较先进国家有一定的差距，目前，国内 n i t i 合金应用最多的是在医学领域。然而，n i t i 合金价格昂贵，限制了其应用范围； 至于c u 基合金，由于其马氏体易稳定化、加工性能差、记忆性能不稳定及抗过热能力 低等原因，也阻碍了它的研究和应用【l 。f e 基形状记忆合金是继n i t i 形状记忆合金、 c u 基形状记忆合金之后开发的第3 代形状记忆合金。与n i t i 合金相比，f e 基形状记 忆合金以强度高、塑性好、易于成形加工、记忆性能适中、价格便宜( 仅为镍钛的1 2 0 ， 铜基的1 2 ) 、便于常温贮运，同时抗拉强度和极化电位与钢铁材料的相匹配，可利用传 统的炼钢方法和加工设备批量生产等优点。f e 基合金中最有价值和潜在应用前景的合金 是f e m n s i 系形状记忆合金【1 2 - 19 1 。 1 2f e m n s i 形状记忆合金的发展概况 1 9 7 2 年，日本学者e n a m i 2 0 。2 1 1 在f e 1 9 c r - 1 0 n i 合金中首次发现由应力诱发马氏体相 变产生的形状记忆效应。在外力作用下，f e 1 9 c r - 1 0 n i 合金发生丫( f c c ) - - - 蜓；( h c p ) 和 ( h c p ) 一u ( f c t ) 的马氏体相变，但在加热过程中只有y _ 马氏体逆转变可以引起形状 的恢复。所以，f e 1 9 c r - 1 0 n i 合金的形状记忆恢复是局部的，仅有2 5 3 0 。受 f e 1 9 c r - 1 0 n i 合金中形状记忆机制的启示，研究者试图寻找在应力作用下只发生y _ 马氏体转变的f e 基形状记忆合金。1 9 7 5 年，e n a m i 又在f e 一1 8 5 m n 合金中发现：在 j , l - 力n 应力作用下，由y _ 马氏体转变及其逆转变而呈现出形状记忆效应】。进一步的 研究发现：f e m n 合金的形状记忆效应在m n 含量低于2 5 时，形状记忆效应随m n 含 量的增加而升高；当m n 含量高于2 5 时，形状记忆效应消失。1 9 7 9 年，g a r t s t e i n 和 r o b i n k i n 等【2 2 】通过研究f e 3 0 m n 合金中的y _ 马氏体可逆相变，指出m n 含量大于2 5 以后，奥氏体会发生由铁磁性向反铁磁性的转变，该转变又称耐尔( n e e l ) 转变。当发生 该转变后，奥氏体的自由能降低，变得更加稳定，在应力作用下，也很难发生y _ 马 氏体转变，于是人们开始寻找合金元素以降低f e m n 合金的n e e l 温度。 1 9 8 2 年s a t o 等1 2 3 】发现：在f e 一3 0 m n 合金中加入1 s i 后，将单晶f e 3 0 m n 1 s i 合 金沿着( 4 1 4 ) 方向施加拉应力诱发单变体马氏体，经逆相变后将得到完全的形状记忆 f e m n s i 形状记忆合金约束恢复特性研究 效应，f e m n s i 形状记忆合金就此问世。同年，s a t o 等人又在原合金基础上进一步增大 s i 含量，使f e 3 0 8 m n 6 3 s i 单晶合金的形状记忆效应大幅提高，甚至超过了c u 基形状 记忆合金的水平，达到n i t i 多晶合金的水平。研究发现，s i 降低了奥氏体的n e e l 温度 和层错能强化了奥氏体基，使得应力诱发马氏体转变容易发生，从而有利于合金的形 状记忆效应【2 4 1 。这一重大突破，给f e m n s i 记忆合金的发展指明了方向。从此，f e m n s i 形状记忆合金便成为研究的热点【1 9 ，2 5 。2 7 1 。 1 9 9 0 年，日本学者o t s u k a 等人在f e m n s i 合金中加入c r 、n i ，研制出了 f e 1 4 m n 6 s i 9 c r - n i 形状记忆合金，使合金的记忆效应进一步改进【2 8 1 。同时由于c r 、 n i 的加入使f e m n - s i c r - n i 合金具有和不锈钢一样好的耐腐蚀性能，为防锈f e m n s i 形状记忆合金的发展开辟了道路。以上研究成果大大推进了f e m n s i 基形状记忆合金 的发展，并为这类合金的产业化和商业化道路奠定了基础。经过研究者们的不断努力， 近年来，f e m n s i 基形状记忆合金的研究和开发已经取得了很大的进展。它的可恢复应 变和恢复应力有较大幅度的增加，综合性能有了明显的改善。对该合金系的形状记忆原 理的深入研究为进一步提高该合金系的性能和降低该合金系的制造成本指明了方向。新 的含n b c 、v n 沉淀、无需训练的形状记忆合金大大降低了加工成本，提高了性价比， 应用范围日益拓展。完全可以相信f e m n s i 基形状记忆合金在不久的将来会是形状记 忆合金中的佼佼者，成为廉价物美的智能材料。 1 3f e m n s i 形状记忆合金的相变机制 1 3 1 马氏体相变 马氏体相变属于结构改变型的相变，即材料经相变时由一种晶体结构改变为另一种 晶体结构。人们在生产实践中很早就认识到，将钢淬火会使钢质变硬，根据历史记载和 对出土文物的分析，我国最早在西汉时期就己经进行了钢的淬火，其实这个淬火过程就 是由高温面心立方相( 奥氏体) 转变为低温体心立方相或体心四角( 正方) 相( 马氏体) 的 马氏体转变。河北易县武阳台村燕下都遗址出土的战国钢件，经检验得出其金相组织是 经过淬火处理的马氏体【2 9 。3 们。 1 8 7 8 年，m a r t e n s 用自制的金相显微镜观察到了马氏体转变，并绘制出了碳钢中典 第1 章绪论 型的孪晶马氏体转变形貌像1 3 1 1 。1 8 9 5 年o s m o n d 将这种在转变过程中出现的以孪晶为特 征且具有表面浮突的转变命名为马氏体相变。1 9 2 4 年b a i n 提出f c c - - - + b c c 转变的晶体 学切变模型，指出了马氏体转变的切变和无扩散特征，该模型至今仍是研究马氏体相变 晶体学的基础【3 2 】。 目前，存在马氏体相变的材料已经从钢延伸到多种材料一纯金属、铁合金、有色合 金、陶瓷、半导体、超导体、非金属化合物，甚至高压h e 及蛋白质等3 3 1 。不同材料中 的马氏体显示不同的组织形态、特性和应用价值1 3 4 1 。在总结以往学者定义的基础上，徐 祖耀提出了马氏体相变的定义为：替换原子经无扩散位移( 均匀和不均匀形变) ，由此产 生形状改变和表面浮突，呈现不变平面应变特征的一级、形核一长大型的相变。其中“不 变平面应变”为晶体学专业术语，指相变应变中，母相( 高温相) 和马氏体之间的相界面 ( 称为惯习面) 既不应变也不转动。从定义可以看到马氏体相变的主要特征是：替换原子 无扩散( 成分不改变：近邻原子关系不改变) 、切变( 母相和马氏体之间呈位向关系) 和形 状改变( 抛光面显示浮突) 【3 5 】。 根据热弹性马氏体相变的热力学特点以及界面动态的不同，可以将马氏体相变分为 热弹性、半热弹性和非热弹性【3 6 】。其判据为：( 1 ) 临界相变驱动力小，热滞小；( 2 ) 相 界面能作往复迁动；( 3 ) 形状应变为弹性协作应变，马氏体内的弹性储存能对逆相变驱 动力有贡献。完全满足这三个条件时为热弹性马氏体相变，部分满足时为半热弹性，完 全不符合时为非热弹性。f e 3 0 m n 6 s i 中y 一相变借层错成核，相变驱动力并不大，相 变滞后温度约1 0 0 k ，7 e 界面在温度升降时可作可逆运动。但这种可逆运动并不完全， 而需要经过热一机训练后才能完全可逆( 训练使马氏体存储弹性能以驱动逆相变) ，故属 于半热弹性马氏体相变。 1 3 2f e m n s i 形状记忆合金y 一马氏体相变机制 ( 1 ) 堆垛层错的形成 我们来研究一下一个f c c 晶体中单纯的刃形位错。在考察含有位错的平面以下一 层的原子堆垛情况时，就会发现有如图1 1 ( a ) 所示的那种原子“丢失”现象。当这种位 错沿( 1 1 0 ) 方向( 在纸面上) 运动时，就产生了塑性变形，这时，1 到4 号原子将按箭头所 示的方向移动到新的位置。然而在对原子排列作进一步考察之后就会发现，如果整列原 子先经图1 】中的“c ”位置，再移动到“d ”位置的话，所需的能量就会更少一些。 实际上，如果原子按图1 1 ( c ) 中的方式移动，位错的能量会更低。从一定意义上讲， 1 2 3 4 列的每一边，都是一个“丢失”的半平面。此种排列方式被称为不全位错。 如果在1 2 3 4 号原子列左侧的原子，按图l1 ( d ) 中所示的方式移动，其能量比图 l1 ( c ) 中的方式还要进一步降低，这种结构被称作扩展位错。位错扩展愈宽，其能量就 n 1 1 1 愈低。但应注意，由于扩展位错区域中的原子已移动到中间位置上，因而相对于i i j 肼 面上的正确堆垛顺序而言，它们是处在不正确的位置上的。这种堆垛的错误，或者称为 堆垛层错，会使晶体的能量增加。因此。不全位错只能分离到由于分离导致的能量降低 姜嚣一“祥。 瀚 不位年圭盘帽 ( b ) t i f r 但射 髑 币泣年主证憎 ( c )( d ) 图i 1 全位错扩展示意图 f i g li s c h e m a t i c u s 眦i o n o f e x p 蜘d t h e w l l o l ed l s l o c 鲥o 雎 第l 章绪论 与形成堆垛层错导致的能量增加相等时为止。 c h r i s t i a n 曾经指出，在某种条件下，f c c 奥氏体中的全位错可以分解为两个s h o c k l e y 不全位错，两不全位错中间夹一片层错。密排面上的s h o c k l e y 不全位错的运动产生一片 取向关系为 1 11 ) r 【 0 0 0 2 f p ， 1 1 0 ) 肌 11 2 0 ) 胛的晶体。在此基础上，发展起来了 两种不同的关于马氏体形成机制的观点。一种为层错机制【3 7 3 8 】，另种为极轴机制 3 9 - 4 0 】。从热力学的观点看，认为对于高层错能合金，极轴机制是可能的；对于低层错能 合金，只有层错机制是可能的。热力学分析层错机制从层错无规律重叠到有规律重叠的 过程可以将体系的体积自由能和层错总能量降至最低点。 ( 2 ) 层错机制 具有热弹性马氏体相变的n i t i 及c u 基形状记忆合金，其形状记忆效应是由母相 和马氏体两相界面的可逆运动引起，这类合金的母相为有序相，故马氏体向母相逆转变 的晶体学路径是唯一的。因此，在上世纪8 0 年代以前曾经普遍认为合金呈现形状记忆 效应的必备条件是具有热弹性马氏体相变。然而，f e m n s i 基记忆形状记忆合金的母 相为无序相，马氏体向母相的逆转变存在着多种晶体学上的路径，是经非热弹性马氏 体相变而得到形状记忆效应的。因此，具有热弹性马氏体相变并不是形状记忆效应的必 要条件。f e m n s i 基形状记忆合金的形状记忆效应起源于应力诱发y - 马氏体相变及 其逆转变。 设想在f c c 结构的母相中，s h o c k l e y 不全位错在每相隔一层密排面( 1 1 1 ) 上运动首 先形成层错。母相中原有的层错和新形成的层错在高应变缺陷作用下上下移动，层错不 规则的重叠变为规则重叠，促使相长大。图1 2 为马氏体层错机制示意图。图中( a ) 为正常的( 1 1 1 ) 晶面堆垛，( b ) 为原有层错，( c ) 为s h o c k l e y 不全位错形成的堆垛层错，( d ) 为堆垛层错重叠形成的马氏体。这种组织的堆垛能形成h c p 结构的马氏体带。研究 发现，层错堆垛是一种常规特征。它是以较小的组织和能量变化来形成马氏体的一种 简易方法。f c c 和h c p 排列的能量相差不大，与层错能在同一水平。通过仔细观察 马氏体片，可以发现在马氏体片中有一个板条状组织，这说明堆垛层错不能产生同一 种性质的马氏体。例如，一些层错可能会是_ 丫逆相变过程中丫相的晶胚。因此，丫_ f e m n s i 形状记忆合金约束恢复特性研究 相变的本质可以看作马氏体通过层错形核，层错堆垛长大的过程。逆相变可以看作是 s h o c k l e y 不全位错的逆运动。如果选用合金的m 。点( y _ 马氏体相变开始点) 接近室 温，室温下母相的原子处于激活状态，较小的能量波动也可以引起原子错位。最近的研 究支持在f e m n s i 基形状记忆合金中发生的丫_ 相变是通过层错堆垛而进行的机理， 加热过程中层错逆运动导致马氏体相恢复为母相，因而发生形状记忆效应。 图1 2 马氏体层错形核示意图 f i g 1 2s c h e m a t i ci l l u s t r a t i o no ff o r mm a r t e n s i t eb yd i s l o c a t i o n s a c b _ 一 b k 。 卜 b a ( d ) 层错机制的优缺点： 1 在低层错能合金中，全位错 很容易通过位错反应： 扣t r 2 t h 砭 ( 1 。) 形成两个s h o c k l e y 不全位错中间夹一片层错的微观结构组织状态，这符合热力学定律， 降低整个组织的能量。这可以很好地解释在f c c 奥氏体中h c p 马氏体的形核。 2 密排立方相通过层错完成相变可以描述为三个步骤：第一，f c c 奥氏体 1 1 1 ) 晶面 上的a 2 1 1 0 全位错发生分解，形成两个s h o c k l e y 不全位错，且中间夹有层错，两个不 b a c一c一c b a 僻 a c baca c b 僻 c b a c b a c b a 耐 第l 章绪论 全位错经过扩展，形成宽层错：f c c 奥氏体中的层错可以被认为是h c p 马氏体的核心。 第二，宽层错实现了不规则地重叠；第三，宽层错在每隔一层的 1 1 1 f c c t 滑移面上实现 了有规则的重叠。层错机制不仅涉及了马氏体的形核问题，也涉及了马氏体的长大 问题。三个步骤中，第一步骤涉及了马氏体的形核问题，第二、第三步骤涉及了马 氏体的长大问题。三个步骤均符合热力学定律，由这种机制指出的形核、长大过程可使 整个体系的体积自由能和整体层错能降至最低。但是从动力学上分析，第二、第三步骤 从层错无规则地重叠到规则重叠的过程过于蹊跷，目前仍缺乏合理的模型解释这样的形 成过程。 3 层错机制可以较好地解释一7 逆相变的过程。因为d = g b , b 2 ( 2 唧) ，层错扩展宽 度d 与层错能形成反比。不全位错不同于其它的全位错，它的特殊之处在于s h o c k l e y 不全位错的移动是可逆的，它只能在 1 1 1 ) 麟面上移动，只要层错能发生改变，d 就发 生改变。而且，1 ，2 a o a g 6 + b ，其中a 、b 为常数，z x g 7 “( 负值) ，层错能与y _ 转变的化学驱动力有直接关系。当层错能增加时，驱动力减少。因此，根据这些式子， 可以很好地解释冷却室温施加应力、加热后层错能变化，以及由此引起的d 的变化。 1 4f e m n s i 形状记忆合金的应用 f e m n s i 形状记忆合金在f e 基形状记忆合金中最具价值和潜在应用前景【4 1 】，目前已 在管道连接、形状记忆夹具、紧固件等组合部件方面开始获得应用【4 2 1 。表1 1 给出了几 种已经开发的f e m n s i 形状记忆合金的成分、性能及应用状况【2 8 1 。 随着社会对产品智能化的追求，形状记忆合金作为一种具有感知和驱动双重功能的 智能材料得到了很大的发展。形状记忆合金的应用状况可用专利申请件数来说明，以专 利申请大国日本为例，1 9 8 4 年起，形状记忆合金的应用专利申请量每年均在1 0 0 0 件以上 一3 1 。形状记忆产品也涉及到工业和生活的各个领域，其中以n i t i 合金的应用最广。 f e m n s i 形状记忆合金由于存在形状恢复率低、相变滞后宽及超弹性不明显、成形加工 性能差和低温应力松弛等缺点，其应用受到了限制。 f e m n s i 形状记忆合金约束恢复特性研究 表1 1 几种已开发的铁基形状记忆合金 t a b 1 1s o m eo fa p p l i e df e - b a s e ds m a 目前，f e m n s i 形状记忆合金主要有如下几个方面的应用。 1 f e m n s i 形状记忆合金管接头和连接件 管接头( 如图1 3 所示) 是铁基形状记忆合金应用最有效的领域之一【4 4 4 9 1 。19 8 8 年日本 的新日铁公司就开发出t f e m n s i 形状记忆合金管接头【5 0 1 。在中国，天津大学研制的 f e m n s i 系形状记忆合金管接头也取得了巨大成功，并先后在中原油田、华北油田、大 庆油田中投入使用脚】。这种形状记忆合金连接克服了在进行传统焊接和法兰连接时由焊 接应力引起的应力腐蚀和由异种金属接触引起的接触腐蚀，而且具有占用空间小、施工 操作简单、速度快和可承受压力高等优点【2 】。但也存在一定的缺点，一是生产及使用比 较复杂，这种管接头一般都要经过冶铸成锭、压力加工、热一机械训练等工序；二是低 温时容易发生应力松弛而造成失效。另一种用途是三重管喷头。它是一种三重构造的套 管，新同铁公司开发的利用形状记忆合金将陶瓷内管保持得十分牢固，这样的喷头已在 炼钢厂实用 5 0 1 。 星! 垩鱼堡 图1 3f e - m n - $ i 形状记忆合金管接头 h 1 3p i p e - j o i n t o f f e - m n - s ib a s e ds h a p e m e m o r y a l l o y 2 f e m n - s i 形状记忆合金紧固铆钉 工程中通常采用铆钉和螺栓进行紧固，但在某些场合( 如密闭真空中) 很难进行操 作，而采用f e m n s i 形状记忆合金紧固铆钉则可较容易地实现这种紧固1 5 1 1 0 如图14 所示， 铆钉尾部记忆成型为开口状，紧固前，将铆钉在于冰中冷却后把尾部拉直，插入被紧固 件的孔中，温度上升产生形状恢复，铆钉尾部叉开即可实现紧固。这种台金作为紧固件 具有压紧力大，接触密封可靠，操作简单等优点。 成型( t * ) 加力拔直( t * )插入( t * ) 加热( t ) 图14f e - m n s i 形抗记忆台金紧同铆钉示意图 f i g 1 4f e - m n - s is h a p e m e m o 叫a l l o y f a s t e n i n gr i v e ts c h e m a t i c 因痢 略 蛸 3 f e - m n s i 形状记忆合金防松螺母 李俊良”l 等人利用铁基形状记忆合金的记忆效应及其在约束态下的恢复效应，将螺 母内螺纹加工成略小于螺栓外螺纹的尺寸熟后扩孔变形至标准螺母内螺纹的尺寸，接规 定力矩拧紧后，对螺母加热，就可使螺母收缩产生径向恢复力，该恢复力可以转化为螺 纹副之间的自锁摩擦力矩，防止螺旋副相对转动，进而达到防松的目的，如图1 5 所示。 叭，o 三七燃群裟笔勰勰。 日本的t a m a i 设计了f e - m n - s i 形状记忆合金地角螵栓，并且对地角螺栓进行了足 尺寸试验【5 埘l 。试验和数值模拟的结果表明，这两种装置都可以使结构在发生地震后恢 复到原来的形状，图1 6 是形状记忆合金地角螺栓和普通螺栓试验后的照片。由此可以 看出，形状记忆合金螺栓试验后没有残余变形，而普通螵栓却有5 m m 的残余变形。 ( a ) 形状记忆台金锚固螺栓( b ) 普通锚固螺栓 ( a ) s h a p e m e m o r ya l l o ya n c h o r b o l t( b ) o r d i n a r ya n c h o r b o l t 图1 6 试验后锚固螺栓的残余变形 f i g 1 6r e s i d u a ld e f o f m 呲i o l l o f a n c h o r b o l t a f t e re x p e r i m e n t 第1 章绪论 根据f e m n s i 形状记忆合金螺母的防松原理，沈英明等人1 55 】又对螺母的自锁摩擦力 矩及动态防松性能进行了测试，将m l o 螺母进行固溶处理以及5 预变形，然后用预紧力 对普通螺母和防松螺母进行预紧。实验表明，f e m n s i 形状记忆合金螺母经2 0 0 退火， 自锁摩擦力矩提高2 4 8 7 ；而经4 0 0 。c 退火，自锁摩擦力矩则提高2 0 0 9 8 ；而在相同的 预紧力和振动条件下，f e m n s i 形状记忆合金螺母经2 0 0 退火后，其动态防松寿命约 为普通螺母的5 倍。 4 f e m n s i 形状记忆合金在复合智能材料中的应用 由于地震和强风灾害，致使建筑物倒塌造成的损失每年都在增加，对建筑结构自身 的抗震性能提出了更高的要求。形状记忆合金具有集传感和驱动于一身的优势，能够同 时实现结构的监测和控制。形状记忆合金智能混凝土结构的概念，实际上就是目前航空 航天领域内形状记忆合金混杂复合材料结构在土木工程领域的自然引伸和推广【5 引。熊瑞 生酬提出了用形状记忆合金可制作预应力混凝土和智能混凝土构件的构想。早在2 0 世 纪9 0 年代初，同本建设省建筑研究所就曾与美国国家科学基金会合作研制了具有调整 建筑结构承载能力的自调节混凝土材料【5 引。f e m n s i 形状记忆合金由于温度滞后范围 广，成本低所以在建筑结构中的应用具有十分广阔的前景。 w a t a n a b e 等人【5 9 】将f e 2 7 2 m n 5 7 s i 5 c r 合金，埋入纤维石膏智能复合材料中，利 用合金在受限恢复时所产生的压应力，使石膏的机械性能得到很大的提高，这项研究也 是f e m n s i 形状记忆合金在钢筋混凝土应用方面的一项突破。 w a k a t s u k 等人【6 0 】将f e m n s i 形状记忆合金纤维植入到水泥基体中制成智能复合材 料。它能感知到外界环境( 如压力、温度) 或内部状态( 如微裂纹的出现) 所发生的变 化：然后通过材料本身的某种反馈机理，促使材料做出反应，采取对策，或者调整其性 能以适应所发生的变化。 t a k a h i r o 等人【6 1 】，将f e 2 8 m n 6 s i 5 c r 0 5 3 n b 0 0 6 c ( 质量) 合金埋入混凝土中，混 凝土梁及形状记忆合金试件尺寸如图1 7 所示，试件分三种：全混凝土梁、内加不锈钢 混凝土梁和内加5 预拉伸的形状记忆合金混凝土梁。利用三点式弯曲试验测试混凝土 梁的机械性能。研究发现，在加载过程中，混凝土梁逐渐开裂，形状记忆合金混凝土梁 的挠度和应力都比不锈钢混凝土梁和全混凝土梁大的多，卸载后，对受混凝土约束的形 ! ! 型! ：墅丝墼里鱼鱼鱼塑墨堕星壁壁堕基 状记忆合金进行加热，使其恢复，其恢复力促使粱的挠度逐渐减小，裂缝的张开值也随 之减小，晟后裂缝基本闭台。 。獬。+ j i 形状记忆台金 单位；( 哪) 刚，愚0 麓酱裂怒篇嬲蕊怒。 从f e - m n - s i 形状记忆合金的发现到现在2 0 多年的时间里，科研人员一直致力于开发 这种低廉的功能合金，希望能够替代昂贵的n i n 形状记忆合金，但是真正市场化的 f e - m n - s i 形状记忆产品也只有管接头，并且还存在一定的缺点。目前对f e - v l n s i 形状记 忆合金的开发主要是应用其形状记忆的特性，关于其它方面的特性并没有多少研究，能 够提到应用上的研究就更少了。 1 5 课题研究的目的和主要内容 f e - m n s i 形状记忆合金与n i - t i 基和c u 基形状记忆合金相比，其形状记忆效应较差， 形状恢复率低，使其在形状记忆性能的应用上存在着难以克服的缺点，使得国际上对 f e m n s i 形状记忆合金马氏体相变、形状记忆特性等的研究热度有所下降。目前， f e m n s i 形状记忆合金在我国和日本的研究最为活跃，人们在继续寻求提高f e - m n s i 系 形状 己忆合金形状记忆性能的同时也开始重视其他性能的研究，如耐腐蚀性、抗氧化性 等。在应用上，日本已经丌始致力于开发f e m n s i 形状记忆合金新的应用领域，如日本 国家材料研究所s a w a g u e h i 等人，把f e m n s i 形状记忆合金应用于钢筋混凝土中，利用合 金的恢复力作为预应力来强化基体提高钢筋混凝土的弯曲强度和断裂强度。日本信州大 学w a k m s u k i 等人，也己开展了把f e - m n s i 形状记忆合金纤维植入石膏基智能复合材料中 以提高其强度的研究。 第1 章绪论 在桥梁、房屋等混凝土梁结构中，由于载荷和温度变化的作用，很容易发生后屈曲 变形，严重影响结构的安全性和可靠性。如何有效防止混凝土梁发生后屈