（材料科学与工程专业论文）短时时效及热机械训练对nialfe合金相变与记忆效应的影响.pdf

上海变通大学工程硕士论文 短时时效及热一机械训练对 ni a i - f e 合金相变与记忆效应的影响 摘要 ，、 n i a l 一f e ( b1 ) 双相记忆合金具良好的室温塑性和热加工性，且无 须锄练即呈现出双程记忆效应。与n i t i 及c u 基记忆合金相比，n i a i f e 合金具有相变温度高、价格便宜等优点，但f e 元素的加入在提高塑性的 同时降低其形状记忆效应。此外，n i a i - f e 合金母相( b 2 ) 及马氏体在 较高温度下发生ni ，a i ，析出，将导致记忆效应和塑性下降本文旨在通 过成份调整研制工作温度在1 0 0 - 2 0 0 。c 的n i a i - f e 记忆合金，探索短时 时效和热一机械训练对其记忆效应的影响规律和可能机理。 本文用l k - 0 2 膨胀仪进行相变点和形状记忆效应的测试，用金相组 织、t e m 、x 一射线衍射分析等方法探索n i a i f e 合金的各种组织结构。研 究结果表明，n i a l 一f e 合金在a 1 含量一定时，相变温度与n i 含量成正 比：n i 一2 2 a t a l 1 8 a t f e 、n i - 2 2 a t a 1 1 7 5 a t f e 、n i 一2 2 a t h l 一1 7 a t f e 、 n i 一2 5 a t a 一1 5 a t f e 等四种成份的合金，经1 0 5 0 一1 1 5 0 的固溶处理后， 相变点均在1 0 0 2 0 0 之间，达到本课题预定相变点的要求。1 f e 元素是y 相形成元素，相同的圆溶处理条件下，y 相百分含量 随如含量增加而增加。同种成份n i a i - f e 合金，y 相百分含量随固溶处 理温度降低而升高。n i a i f e 合金的形状记忆效应不仅与y 相百分含量 有关，而且与y 相尺寸与分布、以及马氏体团尺寸有关。经较低温度( 如 1 0 5 0 ) 固溶处理n i a i f e 合金中，y 相尺寸较小，分布均匀，马氏体 团尺寸较小时，即n i a i f e 合金组织较细小时，其形状记忆效应高于经 较高温度( 如1 1 5 0 。c ) 固溶处理，且具有较粗大、聚集状y 相组织的合 上海交通大学工程硕士论文 金。在y 相尺寸、分布及马氏体团尺寸相同的条件下，即相同的固溶处 理条件下，n i a i f e 合金的y 相含量与形状记忆效应成反比关系。 形状记忆效应随预应变量的增加先增后减，n i 一2 5 a t a 卜1 5 a t f e l 0 5 0 固溶淬水试样预应变量为o 6 时获得最大形状记忆效应，单程形状恢 复率为7 0 ，双程形状恢复率为4 4 。 短时时效( 如1 小时) 时，随时效温度升高，m s 点先降后升，1 0 5 0 固溶淬水+ 4 0 0 ，l h 时效n i 一2 5 a t a 1 - 1 5 a t f e 试样m s 点下降1 7 ； 形状记忆效应随时效温度升高先增后减，4 0 0 ，l h 时效n i 2 5 a t a l 一 1 5 a t f e 试样单、双程形状记忆效应均明显提高。4 0 0 ，l h 时效试样的 y 相中有新相析出，其对y 相的强化作用阻碍y 相的塑性变形，有利于 提高形状记忆效应。 形状记忆效应可通过合适的热一机械训练加以提高。1 0 5 0 ，5 h 固溶 处理n i - 2 5 a t a l 一1 5 a t f e 试样进行方式一训练( 即o 6 变形+ 2 4 0 加 热+ o 3 变形) ，其单程记忆效应可达1 3 0 ，双程形状记忆效应可达9 5 。 1 0 5 0 。c ，5 h 固溶淬水+ 4 0 0 ，l h 时效的n i 一2 5 a t a l - 1 5 a t f e 试样经方式 一训练( 即o 6 变形+ 2 4 0 加热+ o 3 变形) ，其单程记忆效应可达i 5 9 ， 双程形状记忆效应可达1 1 6 。1 0 5 0 ，5 h 固溶淬水+ 4 0 0 ，l h 时效的 n i - 2 5 a t m 一1 5 a t f e 试样经方式一训练后，1 0 0 0 次的冷一热循环后双程 形状记忆效应未发生衰减，1 5 0 0 次循环后双程彤状记忆效应有部分衰 减，但仍表现出较好的双程形状记忆效应。丫。 关键字n i a 卜f e 合金，形状记忆效应，时效，热! 缈i | 练，警声性 一i 7 7 圭塑窑要塞烹三堡塑主笙壅 e f f e c to fs h o r tt 叮旺ea g i n ga n dt h e r m o - m e c h a n i c a lt r a i n i n go nt h ep h a s et r a n s f o r m a t i o n a n ds h a p em m o r ye f f e c t o fn i a | - f ea l l o y s t h ed u a lp h a s e ( b + y ) n i a i - f es h a p em e m o r y a l l o y sh a v er e c e n t l yb e e nc o n s i d e r e d f o rt h e i rg o o dd u c t i l i t ya n d t w o - w a ys h a p em e m o r y e f f e c tw i t h o mt r a i n i n g c o m p a r e dw i t h t i n ia n dc ub a s e ds h a p em e m o q a l l o y s ，n i a l - f ea l l o y sh a v em a n ya d v a n t a g e ss u c ha s m g hp h a s et r a n s f o r m a t i o nt e m p e r a t u r ea n dl o wp r i c e h o w e v e r i r o na d d i t i o nt o n i a l i m p r o v e dt h ed u c t i l e ，b u td e c r e a s e dt h es h a p em e m o r yr e c o v e r yb e s i d e s ，t h eb 2p h a s e a n dl o wt e m p e r a t u r em a r t e n s i t ea r en o ts t a b l ea n d n i ，a 1 3p h a s ew i l lp r e c i p i t a t ed u r i n g a g i n g ，r e s u l t i n gi nal o s si ns m e a n dd u c t i l i t y t h ea i mo ft h ep r e s e n tw o r ki st od e s i g na n i a i f es h a p em e m o r y a l l o yw i t hp h a s et r a n s f o r m a t i o nt e m p e r a t u r eb e t w e e nl0 0 2 0 0 b ya d j u s t i n gt h ea m o u n to fa l l o y i n ge l e m e n t s ，t h ee f f e c to fs h o r tt i m ea g i n ga n dt h e r m o m e c h a n i c a lt r a i n i n go nt h es h a p em e m o r yb e h a v i o ro fd u a lp h a s en i a i f ea l l o yh a v e b e e ni n v e s t i g a t e di nt h ep r e s e n t p a p e r p h a s et r a n s f o r m a t i o nt e m p e r a t u r ew e r em e a s u r e d 、= l i t 】1al k - 0 2t y p ed i l a t o m e t e r t h e m i c r o s t r u c t u r e so fn i a i f ea l l o y sw e r ea n a l y s e db ym e a n so fo p t i c a lm i c r o s c o p y , x - r a y d i f f r a c t i o n a n a l y s i s ( x r d ) ，a n d t r a n s m i s s i o ne l e c t r o n m i c r o s c o p y ( t e m ) f r o mt h e e x p e r i m e n t a lr e s u l t s ，i t w a sf o u n dt h a tt h 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 o f n i a i f ea l l o yi n c r e a s e dp r o p o r t i o n a l l yw i t ht h ei n c r e a s eo f n ic o n t e n tf o raf i x e da il e v e l 圭壅窒夔杰兰三堡塑主堕塞 一 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 n t e m p e r a t u r e o fn i 2 2 a t a l - 1 8 a p a f e ，n i 一2 2 a t a 1 - 17 5 a t f e n i 2 2 a t a 1 17 a t f ea n dn i 2 5 a t a 1 1 5 a t f ea l l o y s ，h o m o g e n i z e da t 1 0 5 0 11 5 0 ca r ew i t h i n1 0 0 2 0 0 w h i c hm e e t st h ep r e s c ta i ma n dr e q u i r e m e n t i r o ni se l e m e n tf a v o r a b l et h ef o r m a t i o no fyp h a s et h ea m o u n to f yp h a s e ( y ) i n c r e a s e sw i t ht h ei n c r e a s eo ft h ef ec o n t e n ti ft h eh o m o g e n i z a t i o nt e m p e r a t u r ei sf i x e d i f f i x e dt h ec o n c e r t r a t i o no fn i a i f ea l l o y s ，t h ea m o u n to fyp h a s e ( y ) i n c r e a s ew i t h t h ed e c r e a s eo f h o m o g e n i z i n gt e m p e r a t u r e t h es h a p em e m o r y e f f e c to f n i a i f ea l l o y si s a f f e c t e dn o t o n l yb y t h ea m o u n to fy p h a s e ( y ) ，b u ta l s ob y t h es i z ea n dd i s t r i b u t i o no f y p h a s ea n dt h es i z eo f m a r t e n s i t i cg r o u p n i a i - f ea l l o y sa n n e a l e da tl o wt e m p e r a t u r e ( s u c ha s1 0 5 0 c ) h a saf i n em i c r o s t r u c t u r e , w i t has m a l ls i z ea n du n i f o r m i t yd i s t r i b u t i o no f y p h a s ea n ds m a l ls i z eo f m a r t e n s i t i cg r o u p ， s h o w i n g b e t t e rs h a p er e c o v e r yt h a nt h a t o f s p e c i m e n s a n n e a l e da th i g h e rt e m p e r a t u r e ( s u c ha s1 1 5 0 c ) ，w i t hb i gs i z ea n do f f s e t t i n g d i s t r i b u t e dy p h a s e i f a n n e a l e da tt h es a m et e m p e r a t u r e ，w i t has a m es i z ea n d d i s t r i b u t i o no fy p h a s ea n d as 砒- l l es i z eo fm a r t e n s i t i cg r o u p ，s h a p er e c o v e r yo f n i a l - f e a l l o yd e c r e a s e d 、 ，i lt h ei n c r e a s eo f t h ea m o u n t o fy p h a s e t h es h a p er e c o v e r yo fn i a i - f ea l l o yi n c r e a s e df i r s t l y , t h e nd e c r e a s e dw i t ht h e i n c r e a s eo f p r e - s t r a i n , n i - 2 5 a t a 1 a t l 5 f es p e c i m e n , a n n e a l e d a t1 0 5 0 cf o r5h o u r s ，g o t t h eb e s ts m ea t 0 6 p r e s t r m n o n ew a ys h a p er e c o v e r yi s 7 0 a n dt w o - w a ys h a p e r e c o v e r yi s4 4 f o rs h o r tt i m ea g i n g ，m a r t e n s i t i ct r a n s f o r m a t i o nt e m p e r a t u r ed e c r e a s e df i r s t l ya n d t h e ni n c r e a s e dw i t ht h ei n c r e a s eo fa g i n gt e m p e r a t u r e c o m p a r e dw i t hs p e c i m e nw i t h o u t a g i n g ，m st e m p e r a t u r e f o rn i 一2 5 a t a l - 1 5 a t f es p e c i m e n s ，( a n n e x e da t1 0 5 0 a n d a g i n g a t4 0 0 f o r1h o u r ld e c r e a s e d 17 t h es h a p em e m o r ye f f e c ti n c r e a s e d f i r s t l y ，a n dt h e nd e c r e a s e dw i t ht h ei n c r e a s eo fa g i n gt e m p e r a t u r ea f t e ra g e da t4 0 0 c f o r 1 h o u r , b o t ho n e w a ya n dt w o - w a ys h a p e r e c o v e r i e so f n i - 2 5 a t a l 一1 5 a t f es p e c i m e n sa r e 圭壅至塑查兰三堡壁主堡塞 o b v i o u s l yi m p r o v e d n e w p r e c i p i t a t e s w e r eo b s e r v e di ny p h a s ea g e d a t4 0 0 cf o r1 h o u r sn e wp r e c i p i t a t e s m a ys t r e n g t h e nt h e y p h a s e o fn i a l - f es p e c i m e n sa n d t h e d e f o r m a t i o no fy p h a s em a y b el i m i t e d ，w h i c hi sb e n e f i tf o ri m p r o v i n gs h a p er e c o v e r y i ti sa l s of o u n dt h a t s h a p em e m o r ye f f e c t c a nb ei m p r o v e db ys u i t a b l et h e r m o 。 m e c h a n i c a l t r a i n i n g a f t e rt h e r m o - m e c h a n i c a lt r a i n i n gi nm o d ei ，i e d e f o r m a t i o no f 0 6 + h e a t i n gt o2 5 0 * c + d e f o r m a 五o no f o3 t h eo n ew a ys h a p er e c o v e r yw a s1 3 0 a n d t h et w ow a y s h a p er e c o v e r yw a s9 5 f o r n i 一2 5 a p a i 一1 5 a p a f ea n n e a l e da t1 0 5 0 f o r5 h o u r sf o rn i 2 5 a p a i 1 5 a t f es p e c i m e n sa n n e a l e da t1 0 5 0 f o r5h o u r sa n da g e d a t4 0 0 f o rl h o u r ，f o l l o w e d b yt h e r m o - m e c h a n i c a lg a i n i n gi nm o d ei ( d e f o r m a t i o no f 0 6 * h e a t i n gt o2 5 0 。c + d e f o r m a t i o no f o 3 、t h eo n ew a y s h a p er e c o v e r yw a s a sh i g ha s 1 5 9 ，t h et w ow a ys h a p er e c o v e r y a sh i g ha s11 6 ，t h et w o - w a y s h a p er e c o v e r yw a sk e p t u n c h a n g e du pt o i x l 0 3h e a t i n g - c o o l i n gc y c l e s ，d e c r e a s e dal i t t l ea f t e r1 5 0 0 6t h e r m a l c i r c l e 【k e yw o r d s 】n i a i - f e ，s h a p em e m o r ye f f e c t ，a g e ，t h e r m o - m e c h a n i c a lt r a i n i n g ， s t a b i l i t y 上海交通大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本 文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：螽j 卑 日期：2 神年。p 月跖 圭塑奎望盔竺三堡堡主篓塞笪二皇生j 垒一 第一章绪论 1 - 1 形状记忆合金及其应用研究 卜1 - 1 形状记忆合金的基本特性 普通的金属材料，当内部应力超过其弹性极限时，将产生不可逆转的塑性变形，卸载之后，材 料的变形不可恢复到原始状态。 形状记忆合金的形状记忆效应是指合金能够记住它在高温母相状态下的形状，即处于低温的 形状记忆合金在外力作用下产生变形后，如果加热超过合金材料的相变点，就会恢复到原来高温母 相状态下的形状。 图1 1 为合金形状记忆效应示意图f l l ，不同取向母相冷却至马氏体相变温度m s 以下，转变为 多取向的马氏体。室温马氏体经形变、再取向后成 为近似的单取向马氏体单晶，在加热到a s ( 马氏体 向母相转变时1 ，由于晶体学的限制( 当母相有序时 马氏体亦保持有序性) ，其逆相变的途经是唯一的， 即回复原始形状，呈现单程记忆效应。通常用m s 表示母相转变为马氏体的开始温度，m f 为马氏体 转变终了温度，a s 表示为马氏体向母相逆转变的 开始温度，a f 为马氏体逆相变终了温度。m s 、a s 相变临界温度随合金元素及台金成份而变化。 1 9 9 0 年w a y m a n 在马氏体相变总结性文章 2 1 中， 图 强调了晶体学的可逆性以及马氏体的自协作作为形状 卜1 呈现形状记忆效应的过程示意图 f i g1 1s h a p em e m o r y e f f e c tp r o c e s s 记忆效应的条件，马氏体的自协作是马氏体为减少应变能的普遍现象，只是不同合金的马氏体自协 作程度不同，形状记忆效应由马氏体的再取向及马氏体逆相变雨取得。 第1 页 上海交通大学工程硕士论文 第一章绪论 图卜2 示出典型的弹性回复及形状记忆效应的应力一应变曲线”1 。在d 点以下为已存在的( 热 变) 马氏体再取向或形成应力诱发马氏体，总应变为e ，：在d 点去应力后，部分应变弹性回复，剥 余应变( e 点) 是由相变或再取向所造成的。( 1 ) 当形成应力诱发马氏体时，b 点相当于6 ，”。， 在升温至a s ( f 点) 时开始逆相变，继续升温时产生形状记忆效应：至a f 温度逆相变完成，应变 回复至g ：h g 为剩余范性应变，这是在应力诱发相变过程中所产生的部分范性应变，不能在逆变中 回复。( 2 ) 当熟变马氏体再取向时，b 点相当于马氏体内孪晶界移动所需的应力，其大小由马氏 体的弹性常数决定。当升温至接近 s 温度( a s a s o ) 时开始逆相变，a s o 相当于热变马氏体开始 进行逆相变的温度；在继续升温时内部组织作逆向的再取向，如孪晶界的逆向移动，就出现形状记 忆效应。 总应变r = 弹性回复( er _ e ) + 逆相变时应变回复( e c ) + 不可逆应变( h g ) 弹性回复及形状记忆效应使应变趋向回复母相原来形 状，而不可逆应变决定形状记忆效应的回复程度。 l d e l a e y 等认为，双程记忆效应的成因是由于马氏 体的择优形成n 奥氏体内亚结构的各向异性和马氏体相变 的交互作用使马氏体择优形成，经训练形成晶体学一一对应 的复杂位错排列以及残留马氏体碎片，都可成为择优马氏体 变体，使在训练中重复再演。st a l m a n s 等1 5 3 的热力学分析 显示这些位错排列形成低能量变体( 或称经训练变体) ，提 出经训练变体的择优长大是呈现双程记忆效应的机制。 形状记忆合金的形状记忆效应和回复效应是实现结构振 动控制的基础。 d 厂吲 仕h “5 ： ， t 乏茹 1 - 1 - 2 形状记忆台盒的应用 形状记忆合金的应用研究目前已涉及到机械工程、交通能源、土木工程以及国防工业、空间站 第2 页 = 兰耋銮望盔竺三理璧主丝塞 墨= 茎堑一丝 技术和航空航天工程等尖端科技领域，甚至也开始向生物医学、仿生学、日常民用品等领域渗透。 形状记忆合金的应用研究主要涉及下列内容： 1 在医学方面的应用 ( 1 1 髋骨记忆整复器 按解剖形态、生物力学设计，在人体体温的驱动下发生形状记忆效应，在多个方向上产生向心 回复力，主动和持续地将粉碎的髋骨聚合加压于解剖位置，直至骨骼愈合。 f 2 1 记忆扩张器械 在国际上，研究者们将n i t i 合金在6 5 0 c 的高温下加工成自径约5 m m 的线圈然后降温至0 ，再加工成可卷装在直径约2 m 的手术探针的顶端，做成记忆扩张器械。这种器械可随温度的变 化产生回复力，从而扩张因动脉硬化引起的血管狭窄，治疗心肌梗塞，胆管和尿管狭窄等病症。 ( 3 ) n j t j 合金扣环 用n i t i 合金制成的扣环，可用于牙科的治疗，利用n i t i 台金的形状记忆效应可使假牙固定 牢固，很受医生和病人的欢迎。 2 在机械工程领域中的应用 ( 1 ) 形状记忆机械手 日本日立制作机械研制成功了利用形状记忆效应动作的机械手，可以惟妙惟肖的模仿人类指关 节的运动，它的奥妙就在于其中的n i n 形状记忆合金丝束。 ( 2 ) 形状记忆合金发动机 现在国际上已试制成功一种利用形状记忆台金恢复原状时产生的回复力，可以将热能直接转成 机械能的新型发动机。目前此种发动机的转速已达到了3 0 ( 0 m m ，如果进一步提高形状记忆合金发 动机的热一功转换率，将为能源的有效利用开辟新的途径。 ( 3 ) 形状记忆合金的储力装置 日本熊本大学利用n i t i 合金的形状记忆原理，研制出一种可储存力量的储力罐。在这种储力 罐受热恢复原状时，可以产生巨大的能量，其能力甚至可以挪动1 0 吨重的巨石。 3 、形状记忆合金在智能复合材料方面的应用 第3 页 上海交通大学工程硕士论文 第一章绪论 ( 1 ) 振动、噪声的主动控制 采用主动模态修改f 6 j 的方式控制结构的稳态振动，其基本原理是通过加热材料中的s m a 元件， 使得结构的整体剐度或局部刚度得到调整。该方法可行性的依据在于，随温度的变化，s m a 的杨 氏模量会发生明显的改变。另外还可采用主动应变能调节f 6 i 的方法进行稳态振动控制。控制原理在 于受s m a 主动元驱动作用时，结构进入残余应变状态，与之相应的应变能改变了结构的能量平 衡状态，因此，结构的弹性动力学响应也随之发生变化。结构瞬态振动的控制通常是利用s m a 元 产生力( 分布力或集中力) 来消耗振动能量，从而抑制或阻止结构振动。上述两种主动振动的控制 同样可用于控制结构噪声。 ( 2 ) 振动的被动控制 s m a 复合材料在马氏体相交中的高迟滞阻尼及其在高温奥氏体相的伪弹性迟滞阻尼特性，均 可用于实现结构振动的被动控制的目的。s m a 材料的较强阻尼能力是马氏体逆向运动引起的，许 多因素如应变、应力和激励频率都会影响s m a 的阻尼特性。另外，s m a 的强度比普通阻尼材料高 得多，并且在拉压，剪切状态下的阻尼系数都是相同的。目前的研究l o h 2 i 已初步证实，混杂s m a 之 后的复合材料结构的被动阻尼能力比传统的粘弹性阻尼材料得到明显改善，因而使得s m a 作为 种崭新的被动阻尼材料的进一步广泛使用成为可能。 ( 3 ) 复合材料梁、板结构的抗低速冲击设计 提高复合材料的抗冲击能力包括纤维和基体的韧化处理及其沿材料厚度方向的增强，除上述方 法外，最先进的方法是和其他智能材料的混杂化。研究发现，经受同样大小的低能量冲击，普通石 墨，环氧复合材料板比与s m a 纤维混杂得到的复合材料板的破坏程度严重得多，前者在冲击处几乎 被穿透f ”i 。研究进一步表明，埋入s m a 纤维体积含量的改变会导致冲击韧性的明显改变【l l l 【”1 。 ( 4 ) 裂纹的诊断及其裂纹扩展的主被动控制 埋入结构裂纹尖端附近的n i t i 丝由于裂纹的扩展而伸长，电阻率也随之相应增加( n i t i 的电 阻率对应变非常敏感) ，达到一定数值后，通过控制回路发出控制信号，于是通电加热n i t i 丝产 生相变驱动回复力迫使裂纹闭合。实验表明【“”1 ，由于n i t i 的驱动作用，裂纹尖端的强度因子将 应压应力的出现，急剧地减少。这就是采用s m a 智能复合材料实现裂纹主动控制和探测的原理的。 第4 页 占塑銮望盔兰：三堡婴主堡塞堡三j l 兰童l 一 裂纹的被动控制主要是利用裂纹尖端附近s m a 丝或带的超弹性性能，在裂纹表面始终产生一个驱 使裂纹闭合的回复应力，于是随着受力状态的改变，裂纹尖端强度因子也随之减少。 此外，形状记忆合金在电接触器方面也广泛应用。由单种合金制成的电接触器，利用双程记 忆效应较现有的双金属片接触器对温度的感知更精确，形状变形更可靠。 1 - 2 高温形状记忆合金的发展概况 目前开发应用的形状记忆合金主要是n i t i 和c u z n a i 合金，其马氏体相变温度通常不超过1 i x ) ，而在实际应用中许多场合需要在更高温度下使用的形状记忆合金材料，近年来，人们对各种高 温形状记忆合金的研究十分重视，进行了各种尝试来研究和开发。目前国内外研究的高温形状记忆 合金主要有三类p 9 】：第一类是以cu a l n i 为基础发展起来的五元合金c u a l n i m n x ( x = t i ，b ，v ) ，第二 类是n i t i 的t 1 n 1 ，“y x ( y = p d ，p t a u ) 合金；第三类是从n i a l 基金属间化合物发展起来的 n i a l f e z ( z = f e m m b ) 合金。 1 _ 2 - 1 饥l a i l l i 系青弧形状记, i v e r l t c u a i n i 合金的特点是成本低，导热及导电性能良好，母相强度高，可恢复应力大，抗热稳定 性较好，相变点较高，可在1 ( x ) - - - 2 0 0 c 的较高温度下服役。但由于脆性r 2 相的析出使其加工性能 极差，严重限制了其实用化生产。为克服其缺点，设计了c u a i n i m n t i ( b ) 五元台金。将c u a l n i 合 金中的朋含量1 4 w t ( 过共析成分) 降至1 2 ( 亚共析成分) 以提高舍金的加工性能，因为导致加 工脆性的r ：相存在于过共柝成分区，在亚共析成分区存在的是韧性的o 相，它能相对提高合金的冷 加工性能：由于随着a l 含量的降低合金的相变点大幅度提高，所以加入适量的m n 以降低过高的 相变点同时m n 还可以抑制共析反应，促进低淬火速率下马氏体的形成；添加微量t 1 或b 可使 晶粒细化从而进一步改善合金的加工性能嘲。如何使材料在加热冷却的往复循环中保持相变点稳定 第s 页 圭塑窒望盔兰三望塑主笙塞 蔓二兰一董一兰l 一 是高温形状记忆合金开发应用的关键。但对c u a l n i m n t i 合金在淬火和在2 5 0 - - 6 0 0 c 时效处理后熟 循环的研究表明，无论是淬火态或时效态，其相变点均有明显波动，较难稳定i ”。 卜2 _ 2n 汀i 基赢叠形状记忆合盒 1 9 6 1 年p u r d y 和p a n 4 1 6 】发表n i t i 中存在马氏体相变以来 彳& 多学者提出了各自测定的马氏体结 构f t ，】f 删【m 。除了实验精度外，合金的成分和热处理等加工经历会影响马氏体的结构现今大多学者认 为，近等原子n j - t l 马氏体的晶体结构属单斜b 1 9 ，其亚结构为孪晶或层错。一些作者还发现熟循环 改变n 1 - t 1 的m s ，证实不完全的热循环由于引入了位错，使m s 降低 2 0 1 1 2 1 1 。有的还发现：热循环对 经时效n i t i 的m s 和m f 影响较大。m i y a z a k i i ”】认为循环效应的主要原因在于位错的引入，造成 应力场所致：当富n i 合金经时效有析出相时，或经冷加工已先引入位错时，热循环中就不易再引 入大量位错，或使位错牵动，就不显示热循环效应。 n i t i 二元合金的m s 温度一般低于1 0 0 c ，虽然通过调整n l 与t l 的相对比例可改变其相变点 但最高不超过1 2 0 c ，通常要通过添加第三组元才能大幅提高相变温度。p d 、p f 、a u 等贵金属是可 提高m s 点的元素，用这些元素替代n j 可使m s 点高至5 0 0 以上f 2 4 l nj ，第三元素对m s 点的影响 机制，可能与第三元素对合金的电子结构，尤其是对费米面上的电子及其分布状态的影响有关。 一般来讲，所有成分的t 1 5 0 n i m x y x ( y = p d , p t , a u ) 合金都具有形状记忆效应，但从总体上看，三 元合金的记忆性能不如n i t i 二元合金1 2 m 。大多数合金，尤其是m s 点较高的合金都只具有单程形 状记忆效应，而很难通过训练而获得双程记忆效应。 1 - 2 - 3n i i 基离瀑形状记忆合金 1 9 7 1 年，e n a m ik 和n e r m os 首先在n i a i 合金中发现了形状记忆效应r “】，a uyk 和w a y m a n cm 进一步研究指出其机理同其它1 3 相合金一样是由于热弹性马氏体相变而导致“其相变滞后仅 】0 c 。近年来，具有形状记忆效应的n i a l 合金引起了人们特别关注，大量的研究成果表明，n i a l 基形状记忆合金克服了铜基高温记忆合金的热稳定性不够理想、n i t i 基合金因含有p d ，p t 和a u 等 价格昂贵的稀有金属而成本太高的缺点，曾经被认为是具有较大发展前景、可在较高温度下使用的 第6 页 圭鳖銮望查兰三望堡主堡苎上兰生兰l _ l 形状记忆合金。然而，二元n i a l 的室温脆性及n i a l 基舍金n 1 ，a 1 3 相时效析出问题是n 1 a l 基合金 获得实际应用的障碍。 卜3n i a l 二元形状记忆合金 n i j 台金为金属间化合物，由于n i 元素的高熔点、元素的低密度等特点，使n i a l 二元合 金成为一种熔点高、比重低，并且具有高温抗氧化性能及变形性能的合金。其作为一种重要的高温 结构材料而得到应用。n i u 二元合金的相平衡图如图1 3 所示。在相图中我们可以看到，n i a l 二 元合金的固态相随a 1 含量升高依次为： 圉卜3n i a i 二元合金相图 f i g1 - 3 p h a s ed w g r a mo f t h e n i a is y s t e m 为n i ，a 1 金属间化舍物，其晶体结构为面心立方排列。其中a 】原子占据晶胞的八 第7 页 一p 一目嚼 = 兰童銮垄盔兰三堡堡主垒塞 蔓二童l j 垒一 个顶角，n j 原子则居于六个面心的位置，点阵常数大约为0 3 5 7 8 n m 。 ( 2 ) y 相，为l 12 结构的n j 3 a 】金属间化合物，与y 相基本相同。 ( 3 ) b 相，为n i a l 金属间化合物，其晶体结构为体心立方排列，其中a 1 原子占据晶胞的八 个顶角，而n i 原子则居于体心的位置，即为b 2 的结构。其点阵常数大约为0 2 8 6 5 n m 。 从高温冷却可发生相变而成为马氏体相。这一现象即为本文研究的基础与前提。 ( 4 ) 6 相、e 相、o 相都是a l 含量较高时的固态相，与本文的研究关系不大，在此不必多 加叙述。 在n i a l 二元相图中主要有以下反应： ( 1 ) 1 3 8 5 发生l - - y + y 的共晶反应。 ( 2 ) 1 3 9 5 发生l + b y 的包晶反应。 ( 3 ) 7 0 0 发生b + y 的两相区包析反应，生成n i 5 a 1 3 的析出相。 ( 4 ) 1 1 3 3 发生l + b 一6 的包晶反应。 ( 5 ) 8 5 4 发生l 十8 一的包晶反应。 ( 6 ) 6 3 9 9 发生l 一+ a 的共晶反应。 1 - 3 - 1n i a i 二元合金的马氏体相变 b 相b 2 结构的n i a l 合金( 3 0 - 4 0 a t y n a ) 在从高温冷却时，会发生从 b 2 结构到l i o 结构的马氏体相变( 图1 - 4