（凝聚态物理专业论文）niti形状记忆合金疲劳与断裂机制研究.pdf

摘要 摘要 n i t i 形状记忆合金由于具有超弹性、形状记忆效应、优异的力学性能与良好 的生物相容性现在已成为重要的生物医用材料之一。随着研究的不断深入，n i t i 合金的疲劳和断裂成为阻碍其应用的最重要的因素。因此，n i t i 记忆合金高周疲 劳机制、裂纹的形成和传播、及马氏体相变的影响等问题引起了科技工作者和科 学家们广泛的关注，并成为目前n i t i 形状记忆合金研究的热点。 论文利用x 射线、扫描电镜、电子背散射衍射( e b s d ) 技术、透射电镜和高分 辨透射电镜等研究手段，通过微结构观察和力学分析，从微观层面和原子层次揭 示了n i t i 形状记忆合金高周疲劳和断裂的失效机制，研究了马氏体相变对合金的 高周疲劳和断裂的影响。主要结论如下： 1 通过高周疲劳实验研究了再结晶状态n i t i 形状记忆合金在不同平均应变 下循环变形的力学机制，结合透射电镜对循环变形后材料的微结构进行观察，分 析了n i t i 合金在不同平均应变下表观杨氏模量循环硬化与软化效应，通过分析认 为重结晶状态的n i t i 形状记忆合金高周疲劳的机制为：在奥氏体变形阶段的疲劳 是由于奥氏体中的位错导致的；在马氏体与奥氏体共存的状态下，疲劳主要发生 在应力诱发马氏体相中。 2 利用高周疲劳过程中的力学变化研究了超弹性n i t i 形状记忆合金疲劳寿 命的平均应变效应，发现由于n i t i 合金中的非均匀马氏体相变导致其疲劳寿命随 着平均应变增加而增大。利用高分辨透射电镜对n i t i 形状记忆合金中微结构的变 化进行观察，发现了孪晶界面的肖克莱偏位错，并通过模拟的方法重构出位错芯 结构；通过微结构的研究，分析了不同平均应变下n i t i 记忆合金循环变形过程中 循环硬化与软化的机制。 3 利用扫描电镜对不同温度下n i t i 记忆合金断裂机制进行观察分析，并通 过高温和室温条件下准原位的e b s d 方法研究了n i t i 记忆合金断裂的晶体学机 制。研究发现，在温度高于应力诱发马氏体相变温度m a 时，n i t i 合金发生由滑移 导致的准解理断裂机制，裂纹主要沿着奥氏体相的 1 1 0 低指数面扩展；在室温 状态下，n i t i 合金发生由应力诱发马氏体相变导致的准解理断裂，马氏体相变起 到了一定的韧化作用，但是不能改变裂纹扩展的方向，裂纹主要沿着残余奥氏体 相的 1 1 0 和 1 0 0 低指数面扩展。 4 通过不同温度下的过载断裂和缺口试样拉伸断裂实验，分别对马氏体相 变对n i t i 合金延展性和断裂韧性的影响进行了研究。对缺口试样拉伸断裂的研 究发现，马氏体对n i t i 形状记忆合金的裂纹钝化效应主要是由应力诱发马氏体 的扩展过程引起的。马氏体相变对n i t i 合金断裂的影响为：当样品的断裂韧性 北京t 、i k 大学理学博士学何论文 k c 高于马氏体扩展的临界应力集中系数蝎。时，裂纹在扩展之前发生的马氏体扩 展过程吸收了裂纹扩展能，样品在缺口处发生缩颈，样品表现宏观的韧性断裂； 当断裂韧性k c 低于马氏体扩展的临界应力集中系数墨。时，裂纹尖端应力诱发的 马氏体相较少，这些少量形核的马氏体降低了n i t i 记忆合金的断裂韧性，材料 宏观上表现为脆性断裂。 关键词高周疲劳；断裂；马氏体相变；n i t i 形状记忆合金 a b s t r a c t a b s t r a c t n i t is h a p em e m o r ya l l o y ( s m a ) ，b e c a u s eo fi t se x c e l l e n tp s e u d o e l a s t i c i t y ( s u p e r e l a s t i c i t y ) ，s h a p em e m o r ye f f e c t ，e x c e l l e n tm e c h a n i c a lp e r f o r m a n c ea n dg o o d b i o c o m p a t i b i l i t y h a sb e c o m ea n i m p o r t a n t b i o m a t e r i a lc a n d i d a t e s w i t ht h e d e v e l o p m e n to fi n v e s t i g a t i o na n ds t u d i e s ，t h ef a t i g u ea n df r a c t u r ep r o p e r t i e sh a v e b e c o m ea ni m p o r t a n ti s s u er e l a t e di t sa p p l i c a t i o n t h e r e f o r e ，t h ei s s u e so fm e c h a n i s m a n dp e r f o r m a n c eh i 曲- c y c l ef a t i g u e ，n u c l e a t i o na n dp r o p a g a t i o no fc r a c ka n di m p a c t o fm a r t e n s i t et r a n s f o r m a t i o nh a v ea r o s et h ep r o d u c e r sa n ds c i e n t i s t sa n db e e nh o t s p o t s o fs t u d i e so ns m a s i nt h i st h e s i s ，t h em i c r o s c o p i ca n da t o m i cm e c h a n i s mo fh i g h - c y c l ef a t i g u e ( h c f ) a n df r a c t u r ea n dm a r t e n s i t et r a n s f o r m a t i o ne f f e c th a db e e ni n v e s t i g a t e db yx r a y d i f f r a c t i o n ( x r d ) ，s c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p y ( s e m ) ，e l e c t r o nb a c k s c a t t e r i n g d i f f r a c t i o n ( e b s d ) ，t r a n s m i s s i o ne l e c t r o nm i c r o s c o p y ( t e m ) a n dh i 曲r e s o l u t i o n e l e c t r o nm i c r o s c o p y ( h r e m ) ，t h em a i nc o n c l u s i o n sa r ea sf o l l o w i n g ： 1 t h em e c h a n i c sr e s p o n s e so fc y c l i cd e f o r m a t i o no fr e c r y s t a l l m e dn i t ia t d i f f e r e n tm e a ns t r a i n s 忙r ei n v e s f i g a t e d w i t hh i g h c y c l ef a t i g u ee x p e r i m e n t s ，t h e m i c r o s t r u c t u r ee v o l u t i o nw a so b s e r v e db yt e ma n dt h e c y c l i ch a r d e n i n ga n d s o f t e n i n ge f f e c ta n dt h eh c fm e c h a n i s mw e r ea n a l y z e d t h er e s u l t si n d i c a t e dt h a t c y c l i n ga tt h ea u s t e n i t e e l a s t i cr e g i o n ，f a t i g u eo fn i t ii sa t t r i b u t e dt ot h es l i pi n a u s t e n i t e ，w h i l ea tt h ea u s t e n i t ea n dm a r t e n s i t er e g i o n , f a t i g u ei sm a i n l yo c c u r r e di n s t r e s s - i n d u c e dm a r t e n s i t ep h a s e 2 t h em e a ns t r a i ne f f e c t so nh c fo fn i t is m a sw e r ei n v e s t i g a t e d i ts h o w e d t h a tt h ee f f e c t so fm e a ns t r a i nw e r ea t t r i b u t e dt ot h ei n h o m o g e n e o u sm a r t e n s i t e t r a n s f o r m a t i o ni nn i t i t h em i c r o s t r u c t u r ee v o l u t i o n si nt h es a m p l e s ，w i mt h e d i s l o c a t i o n si nm a r t e n s i t ep h a s ew e r ea n a l y z e dw i t hh r e m t h es h o c k l e yp a r t i a l d i s l o c a t i o nw a so b s e r v e da n di t sa t o m i cs t r u c t u r ew a sm o d e l e d b a s e do nt h ea n a l y s i s o nt h ee v o l u t i o no ft h em i c r o s t r u c t u r e s ，i ti n d i c a t e dt h a tp a r t i a ld i s l o c a t i o n so nt w i n p l a n e sa n dh a b i tp l a n ed i s l o c a t i o n sp l a ya ni m p o r t a n tr o l eo nt h eh c fo ft h es a m p l e t 1 1 a tc y c l e da tm a r t e n s i t ea n da u s t e n i t ec o e x i s ts t a t e s 3 t h ef r a c t u r em e c h a n i s m so fn i t ia td i f f e r e n tt e m p e r a t u r ea r ei n v e s t i g a t e db y s e mo nt h ec r o s ss e c t i o no ft h ef r a c t u r e e x - s i t ue b s do b s e r v a t i o nw a sp e r f o r m e dt o s t u d yt h ec r y s t a l l o g r a p h i cf r a c t u r em e c h a n i s m so fn i t ia th i g ht e m p e r a t u r ea n dr o o m t e m p e r a t u r e i ti n d i c a t e dt h a t ，n i t ie x h i b i t e ds l i p c o n t r o l l e dq u a s i - c l e a v a g ea b o v et h e i i i 北京二广业大学理学博十学位论文 e x t i n c t i o nt e m p e r a t u r eo fm a r t e n s i t et r a n s f o r m a t i o nm d ，t h ec r a c kw a sp r o p a g a t e d a l o n g 1 10 l o w i n d e x e dp l a n e ；w h i l ei tf r a c t u r e di nam a r t e n s i t e c o n t r o l l e d q u a s i c l e a v a g ew a ya tr o o mt e m p e r a t u r e ，t h ec r a c kw a sp r o p a g a t e da l o n gl o w - i n d e x e d p l a n e so f 1 lo a n d 10 0 a tr o o mt e m p e r a t u r e ，m a r t e n s i t et r a n s f o r m a t i o ns h o w e d t o u g h e n i n ge f f e c t ，b u tt h em a r t e n s i t i cp l a t e l e t sa tt h ec r a c kt i pc o u l dn o tc h a n g et h e c r a c kd i r e c t i o n 4 n l ee f f e c to fm a r t e n s i t et r a n s f o r m a t i o no nt h ed u c t i l i t ya n dt o u g h n e s so fn i t i w a si n v e s t i g a t e d 埘t ht h et e n s i o ne x p e r i m e n t so ns m o o t ha n dn o t c hs a m p l e s w i t l lt h e i n v e s t i g a t i o n so nt h en o t c hs a m p l e s ，i tr e v e a l e d t h a tt h et o u g h e n i n ge f f e c to f m a r t e n s i t et r a n s f o r m a t i o nw a sa t t r i b u t e dt oi t se x p a n s i o np r o c e d u r e ，w h i c hr e s u l ti n t w ow a y st h a tm a r t e n s i t et r a n s f o r m a t i o na f f e c tt h ef r a c t u r eo fn i t i ：( a ) i ft h ea p p a r e n t f r a c t u r et o u g h n e s sw a sl a r g e rt h a nt h ec r i t i c a ls t r e s si n t e n s i t yf a c t o rf o re m i s s i o na n d e x p a n s i o no fm a r t e n s i t e ，t h ec r a c kt i pc a nb ea r r e s tb yc o n t i n u a le x p a n s i o na n dp l a s t i c d e f o r m a t i o no fm a r t e n s i t e ；( b ) i ft h ea p p a r e n tf r a c t u r et o u g h n e s sw a sl e s st h a nt h e c r i t i c a ls t r e s si n t e n s i t yf a c t o rf o re x p a n s i o no fm a r t e n s i t e ，t h ec r a c kt i pc o u l dn o tb e t r a p p e db ym a r t e n s i t e ，t h es a m p l ef r a c t u r e di nab r i t t l ew a y , a n dt h em a r t e n s i t e t r a n s f o r m a t i o nr e d u c e dt h ef r a c t u r et o u g h n e s so fn i t i k e y w o r d s ：h i g h - c y c l ef a t i g u e ；f r a c t u r e ；m a r t e n s i t et r a n s f o r m a t i o n ；n i t i ；s h a p e m e m o r ya l l o y - 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。 龆绰日期：型址 关于论文使用授权的说明 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) 签名：二肄 导师签名： 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1niti 形状记忆合金概述 1 9 6 2 年，美国海军军械研究所的b u e h l e r 偶然发现处于马氏体状态的n i t i 合金经过加热能恢复到原来的形状，从此形状记忆合金引起人们的广泛重视。至 今已发现3 0 多种合金具有形状记忆效应，其中有n i t i 系、a g c d 系、m n z n 系、c u - z n - a i 系、c u - a i - n i 系及f e m n s i 系等新型记忆合金i l j 。除温度的升降 可以促使马氏体的消长外，应力的施加和卸载也可以促使马氏体的消长，在对 n i t i 形状记忆合金施加和卸载应力的机械循环中，发现除形状记忆效应外，n i t i 形状记忆合金还具有另一个优异的性质一超弹性，其可恢复应变最高可以达到 8 ，这两种相变并称为热弹性马氏体相变。正是由于这两个优异的性能，n i t i 形状记忆合金在各个领域得到了广泛的应用【2 】。 随着对记忆合金的记忆效应大量的研究，人们对形状记忆效应的微观机理、 应力诱发马氏体相变晶体学等开始有了较为清晰的认识【2 j 。研究发现近等原子比 的n i t i 合金的力学性能最佳，对于这种成分的n i t i 形状记忆合金，形状记忆效 应【3 】和超弹性【4 】效应会随着热一弹性马氏体相变的过程而产生，母相与马氏体相 之间的转变主要通过热或力的驱动，通过原子之间的切变，也叫做非扩散相变来 完成，并为了降低马氏体之间的应变在马氏体中伴随有原子不变切变，形成滑移 和孪晶1 5 】。n i t i 除了具有优良的形状记忆效应和超弹性，还具有很好的双程记忆 效应网、循环稳定性7 1 、抗疲劳能力引、生物相容性9 1 和耐磨性【l o 】等，从而被广 泛应用于微电子系统、生物器械和植入设备【1 1 , 1 2 j 和宇航器件等领域。迄今为止， 对于n i t i 形状记忆合金的研究主要包括热一机械处理【1 3 ，1 4 1 ，变形特点【1 5 , 1 4 ，记 忆效应机制【1 7 1 、r 相的特征【1 8 , 1 2 、马氏体相和r 相的晶体学特征5 ，2 0 1 、亚稳析出 相的晶体结构【2 m 3 】以及疲劳与断裂特性等方面。 1 2 形状记忆效应与超弹性 形状记忆效应是指形状记忆合金在发生塑性变形之后，把它加热到某一温度 之上，合金能回复到变形前的形状的现象。如果随后再进行冷却或加热，形状保 持不变，上述过程可以反复进行，材料仿佛记住了高温状态所赋予的形状一样， 称为单程形状记忆效应。如果对材料进行特殊的时效处理和热机械训练，则在随 后的加热和冷却循环中，能够重复记住高温状态和低温状态下的两种形状，称为 北京工业大学理学博十学位论文 双程形状记忆效应。图1 1 为n i t i 合金形状记忆效应的示意图，其中必，m e 分 别表示马氏体相变开始和结束的温度；彳。，彳f 分别表示逆相变( 奥氏体相变) 开 始和结束的温度。当温度达到彳。时，形状开始恢复，当温度升高到彳f 时，形状 完全回复。m d 为应力诱发马氏体相变的临界温度，即当温度达到m d 时，不在发 生应力诱发马氏体相变，这时比较容易产生滑移变形，而导致变形不能恢复。 超弹性，又称伪弹性，是指施加应力使形状记忆合金在产生弹性变形后产生 更大的非弹性变形，卸载后形状记忆合金能够马上恢复到变形前的形状。与普通 金属的弹性变形不同的是，n i t i 形状记忆合金的可回复应变量大，而且应力应 变关系呈现出非线性。图1 2 为n i t i 合金超弹性的示意图，多晶n i t i 合金经适 当地热和机械处理能表现出良好的超弹性行为，一般来说，当等原子比的二元 n i t i 合金中n i 的原子百分比大于5 0 5a t ，固溶处理并在6 2 0 k - - 7 3 0 k 时可以 得到超弹性1 2 4 ，因为在这个过程中将有n i 4 t i 3 析出相出现；对于n i 的含量小于 5 0 5a t 的样品则冷轧中经过在6 4 0 k 7 4 0 k 退火可以得到超弹性，但这个温度 还未达到n i t i 合金的再结晶温度( 在一定的温度经适当时间的退火可以使晶粒 在原有基础上再长大，n i t i 合金的动态再结晶温度约为8 6 0 k ) 。 图1 l 形状记忆效应的示意图，聪，m f 分别表示马氏体相变开始和结束的温度； 4 。，彳f 分别表示逆相变( 奥氏体相变) 开始和结束的温度；m d 为应力诱发马氏体 相变的临界温度。( a ) 母相状态；( a ) - ( b ) 降低温度，低于 磊时，转变为孪晶态的 马氏体相；( b ) 一( c ) 弹性变形阶段，马氏体开始解孪晶；( c ) 一( d ) 受力变形，马氏体发 生解孪晶重取向过程；( d ) - ( e ) 解孪晶马氏体的弹性变形；( e ) ( f ) 解孪晶马氏体的 第1 章绪论 弹性恢复阶段；( f h g ) 通过加热，到达彳。马氏体开始回复，到达4 马氏体完全回 复，试样恢复到初始的形状( a ) 。 f i g 1 1s c h e m a t i cd i a g r a mo fs h a p em e m o r ye f f e c t , 版，a n dm f i n d i c a t et h es t a r ta n d f i n i s ht e m p e r a t u r eo fm a r t e n s i t et r a n s f o r m a t i o n ；彳sa n da fi n d i c a t et h es t a r ta n df i n i s h t e m p e r a t u r eo fr c v e r t r a n s f o r m a t i o n ；尬i n d i c a t e st h ec r i t i c a lt e m p e r a t u r ef o r m a r t e n s i t et r a n s f o r m a t i o n ( a ) a tat e m p e r a t u r e ，t h em a t e r i a li s f u l l ya u s t e n i t e l o w e r i n gt h et e m p e r a t u r eb e l o wt h em f w i t h o u tt h ea d d i t i o no fs t r e s sc a u s e sa p h a s et r a n s f o r m a t i o nt oat w i n n e dm a r t e n s i t e c o ) - ( c ) a st h em a r t e n s i t ei sl o a d e d , i t b e g i n st od e t w i n , u n t i lf u l ld e t w i n n i n gh a so c c u r r e d ( d ) ( d h e ) t h em a r t e n s i t e e l a s t i c a l l yd e f o r m e s ( e ) 一( f ) t h em a r t e n s i t ee l a s t i c a l l yr e c o v e r s ( 分伯) r a i s i n gt h e t e m p e r a t u r et ot h ea u s t e n i t es t a r tt e m p e r a t u r e ，彳鼬b e g i n st h er e v e r s et r a n s f o r m a t i o n f r o mm a r t e n s i t et oa u s t e n i t e ，w h i c hi sc o m p l e t ea ta f ( a ) t 疗 疗 竺 - 豳 a 0 12 34567891 0 s t r a i n ( ) 图1 2 超弹性的示意图。在4 和舰温度范围之间可以产生超弹性。在( a ) 点处材 料为奥氏体相状态，( a ) ( b ) 奥氏体弹性变形，在( b ) 点开始发生应力诱发马氏体相 变；( b ) 一( c ) 为应力诱发马氏体相过程；( c ) 一( d ) 为马氏体的弹性变化过程( 马氏体的 表观杨氏模量小于奥氏体的杨氏模量) ；( d h e ) 卸载过程中，马氏体发生弹性应 变；( e ) ( f ) 马氏体相向奥氏体相转变的反相变过程，全部回复后到达( a ) 点。 f i g 1 - 2s c h e m a t i cd i a g r a mo fs u p e r e l a s t i c i t y a tt e m p e r a t u r e sb e t w e e na f a n d 舰，t h e s u p e r e l a s t i ce f f e c to c c u r s a t ( a ) t h em a t e r i a li sf u l l ya u s t e n i t e ( a ) ( b ) t h ea 咄n i t ei s e l a s t i c a l l yl o a d e d ，a tw h i c ht i m et r a n s f o r m a t i o nt om a r t e n s i t eo c c u r s ( b ) - ( c ) l o a d i n g 北京t 业大学理学博士学位论文 a l o n gas t r e s sp l a t e a uf u l l yt r a n s f o r m st h em a t e r i a lt om a r t e n s i t e ( c ) 一( d ) e l a s t i c a l l y d e f o r m a t i o no ft h em a r t e n s i t ep h a s e ( n o t et h a tt h es i me l a s t i cm o d u l u si sl o w e rt h a n t h ea u s t e n i t em o d u l u so fe l a s t i c i t y ) ( d ) 一( e ) u n l o a d i n gb a c kr e c o v e r st h ee l a s t i cs t r a i n s i nt h em a r t e n s i t e ( e ) 一( f ) r e v e r s et r a n s f o r m a t i o nu p o nc o m p l e t eu n l o a d i n gt o ( a ) 形状记忆效应和超弹性是密切相关的【2 5 】。通常，只要临界滑移应力足够高， 则在同一试样中，根据不同的试验温度进行变形，形状记忆效应和超弹性均可观 察到。温度从a 。以下加热到彳f 以上可出现形状记忆效应，而超弹性只出现在么f 以上温度，这是因为如果没有应力作用，马氏体是完全不稳定的。在么。卅f 温度 范围内，两者部分出现。图l 一3 中是形状记忆效应和超弹性效应关系的示意图， 正斜率直线表示诱发马氏体的临界应力，符合c l a u s i u s c l a p e y r o n 方程。负斜率 直线表示临界滑移应力。显然，如果滑移临界应力低于b 线，滑移变形不会因 为加热或者卸载而恢复，则超弹性不会出现，因为在应力诱发马氏体出现之前已 经发生了滑移变形。通常通过提高滑移的临界应力，即b 线，使材料不容易发 生滑移，进而改善材料的超弹性性能。 侣) m fm sa sa f t em p e r a t u r e - - - - ， 图1 3 形状记忆效应和超弹性区关系示意图。 f i g 1 - 3s c h e m a t i ci l l u s t r a t i o no ft h er e l a t i o n sb e t w e e ns h a p em e m o 叫e f f e c ta n d s u p e r e l a s t i c i t y 1 3ni ti 形状记忆合金的相结构与相变晶体学 n i t i 形状记忆合金从母相的奥氏体( b 2 的c s c l 结构) ，通过原子切变变为子 第1 章绪论 相的马氏体( b 1 9 的单斜结构) ，为一级相变。当能量通过应力或温度的形式达 到足够大时相变即发生。当温度低于马氏体开始温度必时，产生热诱发马氏体 相变，当施加的应力达到某一临界值时，产生应力诱发马氏体相变。n i t i 记忆 合金中产生形状记忆效应和超弹性的三种相分别为母相( b 2 ) 、马氏体相( b 1 9 ) 和 介于母相和马氏体相之间的r 相，这三种相被广泛认可的晶体结构分别为： ( a ) 奥氏体相，或母相，单胞为简单立方结构( c s c i ) ，1 9 5 7 年p h i l i p t 2 6 1 揭示 出母相的晶体结构常数为：a = b = c - - o 3 0 1 5 n m ，铲哥甲= 9 0 0 。空间群为p m 3 m 。原 子空间占位见表1 1 。 ( b ) 马氏体相，或子相，单胞为单斜结构，不同的研究小组给出了不同的马 氏体相的晶体结构常数和空间群。1 9 7 1 年o t s u k a 2 7 确定马氏体的晶格常数为： a - - 0 2 8 8 9 n m ，b = o 4 1 2 n m ，c = 0 4 6 2 2 n m ，萨) ，= 9 0 0 ，声- - 9 6 8 0 ，空间群为p 2 l m 。 1 9 8 1 年m i c h a l l 2 8 】给出了马氏体相的原子位置，见表1 1 。 ( c ) r 相，单胞为菱形结构，1 9 7 5 年v a t 锄a y o n 【2 9 】确定r 相的晶格常数为 a - - 0 7 3 7 n m ，c - - 0 5 3 2 n m ；r 相的空间群为：p 3 1 m 3 0 1 。s c h r y v e r s l 3 1 】确定了r 相的 原子位置。 随着n i 含量的增加，会出现t i 2 1 m 3 ，n i 4 t i 3 和t i 2 n i 等析出相，而这些二次 相对n i t i 记忆合金的性能也会有很大的影响【3 2 】。 表1 1n i t i 记忆合金奥氏体与马氏体中的晶体学参数与原子位置。 t a b l elc r y s t a l l o g r a p h i cd a t aa n da t o m i cp a r a m e t e r so f n i t ia u s t e n i t e 【2 0 】a n dm a r t e n s i t e 【2 1 a 手0 3 0 1 5 n m ，p m 3 m n l ex = 0y = o n il ex = l 2 y = l 2 a 寻0 2 8 8 9 n m , b = 0 4 1 2 n m ，c = 0 4 6 2 2 n m ，p - - 9 6 8 0 ，p 2 1 m t i2 ex - - 0 4 7 2 6尸1 ，4 n i2 e x - - 0 0 5 2 5尸l 4 马氏体相变晶体学是马氏体相变的核心问题。这个相变过程是通过一个简单 的原子位移( 贝因畸变和晶格不变切变) 形成具有不变平面的马氏体变体，而原 子不发生扩散或结合键的断裂。相变过程中为了保持应变能最小，会形成孪晶、 位错或层错。在n i t i 基形状记忆合金中不变点阵切变通常是具有晶体学可逆性 的孪晶【3 3 】。 文献通过透射电镜观察和晶体学唯象理论计算对马氏体相变晶体学进行了深 入的研究，发现唯象理论【3 4 1 将马氏体相变过程分为三个阶段：1 、均匀畸变b ；2 、 l 3 印 忱 忽 朋 f i ! | 卸 踟 z z 北京工业大学理学博十学1 _ 7 ：论文 点阵不变切变p 2 ( 孪晶、滑移或层错) ；3 、角度调整r 。于是马氏体相变的总 应变为： p i = 剐d 2 b( 1 1 ) 相变应变为不变平面应变，宏观上存在一个无畸变、无旋转的平面，即惯习面； 切变方向平行于惯习面；体积变化垂直于惯习面。因此上式又可写为： p l = i + m l d l p 1 ( 1 - 2 ) 式中，面为应变方向的列向量；i 为单位矩阵；m l 为形状应变的大小；p 1 为垂 直于惯习面的行向量。如果己知母相与马氏体相的晶格参数，在不变平面应变条 件下可求出尸l ，于是可以得到所有的晶体学参数和取向关系。 文酬3 5 4 1 1 通过透射电镜分析和晶体学唯象理论计算，研究了n i t i 记忆合金 的马氏体孪晶类型和孪晶面的取向关系。o t s u k a 3 7 j 等发现了 1 1 1 ) i 型孪晶和基面 上的层错。g u p t a 和j o h n s o n 【3 8 】发现t ( 0 0 1 ) m 混合型孪晶和 0 11 i 型孪晶，并且 重构了 1 1 1 型孪晶。k n o w l e s 和s m i t h 3 9 1 发现了马氏体中重要的 i i 型孪 晶。o n d a 等【4 0 】发现t ( 1 0 0 ) m 混合型孪晶，这种孪晶与( 0 0 1 ) m 混合型位错呈共轭 关系。n i s h i d a 等【4 1 l 在严重变形样品的马氏体中发现了 2 0 1 孪晶。在这些马氏体 孪晶中， i i 型孪晶是热诱发马氏体中最常见的孪晶，而( 0 0 1 ) 混合型孪晶是 应力诱发马氏体中最常见的孪晶。马氏体中孪晶类型和晶体学参数见表1 2 。 表1 2n i t i 记忆合金b 1 9 马氏体中的孪晶类型。 t a b l e1 - 2t w i n n i n gm o d e so f n i t ib19 m a r t e n s i t e 第1 章绪论 1 4niti 形状记忆合金疲劳的研究 1 4 1 材料的疲劳 材料的疲劳是指材料在循环载荷作用下所发生的性能变化。循环应力幅作用 下的疲劳损伤与破坏是这种性能改变的根本原因，也是疲劳研究的基本内容。到 目前，已有大量研究针对各种力学、组织结构对金属材料的循环形变、裂纹萌生 和扩展的影响。对于工程应用的金属材料的裂纹形核与扩展也得到了很广泛的关 注，研究表明工程材料本身的缺陷( 夹杂和气孔) 和材料的服役条件，也对裂纹 的形核与扩展产生了很重要影响。在这些进展中，一些研究辨识了疲劳形变与断 裂的关键微观特征，从这些微观特征，科学家提出了大量的位错的形核、运动以 及结构变化的模型，以及裂纹形成、扩展到材料失效的唯象模型和定量模型。过 去文献中的报导主要是针对传统的金属材料。随着非金属材料、复合材料和先进 的功能材料的大量应用，对于它们的疲劳行为的研究也日益深入，人们认识到这 些新型材料的疲劳与断裂的机制与传统金属材料有所不同。 疲劳是材料在循环变形过程中损伤的产生和发展导致的，大约占工业材料失 效的8 0 - - 9 0 。疲劳的产生有很多形式，如机械疲劳，热机械疲劳和腐蚀疲劳。 裂纹的形核和扩展受材料的结构，加载方式和环境等因素影响。疲劳破坏的发展 大致分为下面几个阶段【4 2 】： ( a ) 亚结构和显微结构发生变化，从而永久损伤形核； ( b ) 产生微观裂纹； ( c ) 微观裂纹长大和合并，形成“主导 裂纹。主导裂纹可能最终导致突然破 坏( 从实际观点上看，这一阶段的疲劳通常是裂纹萌生与扩展之间的分界线) ； ( d ) 主导宏观裂纹的稳定扩展； ( e ) 结构失去稳定性或完全断裂。 由于从应力循环开始到主裂纹的萌生循环数可能高达疲劳寿命的9 0 ，因 此，从科学的观点来看，理解裂纹萌生过程是非常重要的。金属的循环塑性变形 所伴随的位错结构以及疲劳裂纹的萌生的定义与观察的尺度密切相关，科学界通 常把裂纹沿驻留滑移带的形核看作疲劳失效的开始，而工业界通常根据裂纹检测 技术的分辨率来确定疲劳裂纹形核的门槛值。t h o m p s o n ，w a d s w o r t h 和l o u a t 【4 3 】 的试验结果表明，金属在产生滑移带后去除一层之后继续循环，滑移带仍会在原 位出现，他们把这种表面痕迹叫做“驻留滑移带 ( p s b ) ，而p s b 形成产生的挤 出和侵入台阶造成材料表面应力集中，而在金属表面形成裂纹。p s b 和基体间的 界面是一个不连续的面，在此面两侧位错密度分布的突变也可能导致裂纹沿p s b 北京t 业大学理学博十学位论文 萌生。对于工业中使用的材料， w o o dh 4 年提出i 型机制，w o o d 假设前提是材 料的反复循环应变在不同的滑动面上产生不同的净滑移量，而且沿滑移带的剪切 位移的不可逆性使材料表面变粗糙，这种粗糙表面以微观的峰和谷的形式表现出 来，谷根部的应力集中效应对滑移和疲劳裂纹萌生有促进作用。h u n s c h e 和 n e u m a n n 【4 5 j ，以及m a 和l a i r d1 4 6 j 通过试验证明了裂纹在驻留滑移带和基体界面 萌生。 由于记忆合金同普通金属具有不同的力学特点，即在循环加载过程中超过临 界应力发生马氏体相变，所以在研究n i t i 形状记忆合金的疲劳性能时也与普通 金属有差异。h o r n b o g e n t 4 7 】将记忆合金的疲劳分为机械疲劳和形状记忆疲劳两类： 1 、传统的机械疲劳，即缺陷的聚集，裂纹的生成和扩展；2 、记忆效应疲劳，或 称功能疲劳，即相变温度的改变，记忆效应的衰减，超弹性效应的消失或者阻尼 效应。记忆合金疲劳的影响因素包括很多方面，如材料的成分、测试的温度、加 载的模式和表面粗糙度等等。目前对于记忆合金的研究主要集中在循环加载下应 力应变的响应、疲劳寿命和疲劳裂纹扩展等方面。 1 4 2niti 形状记忆合金的循环变形机制 对n i t i 形状记忆合金疲劳行为的研究中，对于循环加载下n i t i 记忆合金的 应力应变响应的衰减机制已经有了很大进展 4 8 - 5 4 , 5 7 】，循环加载方式包括单纯机械 加载、热加载和热机械加载。在对n i t i 形状记忆合金循环形变疲劳的研究中， 文献【4 8 】首次研究了多晶n i t i 形状记忆合金的循环变形或疲劳，包括低周和高周 疲劳。在低周情况内，相变的应力一应变相应在最开始的1 5 2 0 次循环衰减的最 快。m i y a z a k i 等 4 9 】对循环加载下多晶n i t i 记忆合金超弹性响应研究发现，随着 加载次数的增加诱发马氏体的临界应力和应力应变的滞后下降，如图l - 4 所示， 而永久伸长量增加，这些值主要受加载的最大应力影响。而在弹性阶段循环加载 对临界应力没有影响，通过热机械处理后可以提高临界滑移应力，他们认为n i t i 记忆合金循环变形的特殊性是由于在马氏体相中生成位错造成的。文章还认为 n i t i 的应力应变响应受到早期的加载情况的影响，推测主要是由于位错列阵对 应力一应变的响应。k